2. передатчик световых импульсов
реклама
Министерство образования Российской Федерации РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра экспериментальной физики атмосферы ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14 по дисциплине “Методы и средства гидрометеорологических измерений”. ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЯ ВЫСОТЫ ОБЛАКОВ ИВО-1м. Направление - Гидрометеорология Специальность - Метеорология РГГМУ Санкт - Петербург 2002 2 УДК 551. 508 Лабораторная работа № 14. Исследование измерителя нижней границы облаков ИВО-1м. По дисциплине “Методы и средства гидрометеорологических измерений”. – С.-Петербург.: РГГМУ, 2002, 60 с. Описание лабораторной работы содержит теоретические сведения, описания схем отдельных узлов установки. В учебных целях создан специальный макет, моделирующий прохождение луча до облака. Приводится перечень практических операций, выполняемых студентами. Специально отмечены разделы, выполняемые только студентами группы “И”, специализирующейся по гидрометеорологическим измерениям. Составитель: профессор Дивинский Л.И. При составлении работы принимали участие доцент Григоров Н.О., и зав. лабораторией МИИТ Глушковский Б.И Редактор: профессор Кузнецов А.Д Российский государственный гидрометеорологический университет (РГГМУ), 2002. 3 СОДЕРЖАНИЕ 1. Краткое техническое описание прибора........................................4 2. Передатчик световых импульсов ..................................................10 3. Дополнительные сведения о передатчике световых импульсов для студентов группы «И»..............................................................13 4. Приемник световых импульсов......................................................17 5. Дополнительные сведения о приемнике световых импульсов для студентов группы «И»..............................................................22 6. Генератор импульса подсветки и импульса развертки................28 7. Дополнительные сведения для студентов группы «И» о генераторе импульса подсветки и импульса развертки............30 8. Генератор калибровочных меток.............................. ................... .41 9. Дополнительные сведения о генераторе калибровочных меток для студентов группы «И»..............................................................43 10. Узлы управления положением крышек передатчика и приемника.................................................................................... .46 11. Дополнительные сведения об узле питания пульта управления и приемного тракта для студентов группы «И»...........................50 12. Описание лабораторного макета ................................................ .53 13. Порядок выполнения работы ........................................................55 14. Дополнительные задания для студентов группы «И»................58 15. Литература......................................................................................60 4 ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЯ ВЫСОТЫ НИЖНЕЙ ГРАНИЦЫ ОБЛАКОВ ИВО-Iм. Цель работы: изучение устройства, конструкции и принципа действия прибора ИВО-Iм, методики работы с ним измерения нижней границы облаков. Студенты группы «И» изучают ИВО-Iм по описанию в полном объеме. Студенты остальных групп не изучают разделы, озаглавленные как дополнительные для студентов группы «И». 1. КРАТКОЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРИБОРА Наземный импульсный световой измеритель высоты нижней границы облаков предназначен для определения расстояния до нижней границы облачности непосредственно над местом установки аппаратуры. Диапазон измерений при отсутствии тумана, осадков и сильной дымки 50-2000 метров. Точность измерения зависит от расстояния до нижней границы облачности. Значения погрешности при разных высотах нижней границы облачности приведены в табл. 1. Таблица 1 Расстояние до нижней границы облачности Погрешность измерения (интервал) 50 - 100 м не более ( 10% 5 м) 150 - 500 м не более ( 7% 10 м) 500 - 1500 м не более ( 5% 50 м) Время, затрачиваемое для проведения одного измерения при нормальных условиях (при нормальных сплошных облаках и аппаратуре, подготовленной к измерениям не более 10 -15 секунд ). Прибор ИВО-Iм представляет собой светолокатор. Высота нижней границы облачности определяется по времени прохождения светового зондирующего импульса от передатчика до облака и 5 обратно к приемнику, устанавливаемому рядом с передатчиком. Если время прохождения импульса равно t , то высота определяется по формуле: H C t 2 (1) где с = 3·108 м/с - скорость света. Конструктивно прибор оформлен в виде трех блоков: передатчика, приемника и пульта управления. Структурная схема прибора приведена на рис. 1. Приемник ФЭУ-1 Передатчик Фотоусилитель ИСШ-100-3 Импульсная световая лампа Пульт управления Видеоусилитель АРУ U+ Генератор импульсов подсветки U– Генератор калибровочных меток Генератор развертки +2 кв VL5 шкала +U +U R13 Рис.1. Структурная схема ИВО-1м. 6 Принцип действия поясняется временными диаграммами, представленными на рис.2. а) Uзонд. от 1/20 до 1/12 с. -Uпр. б) до 13,3 мкс. +Uподсв t в) . -Uподсв. t 13,3 мкс. t г) 13,3 мкс. t Uразв д) . Uмет. t е) 0,666 мкс.(100 м.) Рис.2. Временные диаграммы, поясняющие принцип действия ИВО-1м. t 7 Передатчик обеспечивает излучение мощного слаборасходящегося светового потока зондирующих импульсов, следующих с частотой 20 Гц. Зондирующие импульсы (рис. 2 а) генерируются специальной импульсной световой лампой ИСШ-100 - 3, светящаяся зона которой расположена в фокусе параболического зеркала. Отраженные от облака сигналы поступают на вход приемника. Они попадают на параболическое зеркало, и, отражаясь от него, поступают на фотоэлектронный умножитель ФЭУ-1, установленный в фокусе отражателя. На выходе фотоумножителя образуются импульсы напряжения, которые поступают на вход фотоусилителя. Усиленный сигнал по кабелю поступает на видеоусилитель, расположенный в пульте управления. В связи с тем, что интенсивность светового отраженного сигнала зависит от расстояния до облака, от его структуры и других факторов, коэффициент усиления фотоусилителя сделан регулируемым. Он может регулироваться либо вручную, либо с помощью системы автоматической регулировки усиления (АРУ). Изменение коэффициента усиления осуществляется за счет изменения отрицательного напряжения смещения, подаваемого на лампы фотоусилителя. Регулировка усиления обеспечивает качественный прием сигналов, интенсивность которых может меняться в значительных пределах. На рис. 2 б изображен сигнал на выходе одного из каскадов приемного тракта. В нем, наряду с полезным отраженным сигналом, имеется также шумовая составляющая напряжения. Кроме того, несмотря на предпринимаемые меры защиты приемника от воздействия светового импульса в момент его излучения передатчиком, зондирующие импульсы, отражаясь от близлежащих объектов, попадают в приемный тракт и наблюдаются в сигнале, проходящем в приемном тракте. С выхода видеоусилителя напряжение поступает на пластину вертикального отклонения луча электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). Кроме того, на ЭЛТ поступает импульс подсветки и напряжение горизонтального отклонения луча. Для формирования этих напряжений из передатчика на вход генератора подсветки поступает импульс запуска (рис. 2 а), вырабатываемый синхронно с появлением зондирующего импульса. Генератор подсветки вырабатывает положительный импульс +Uподсв. 8 напряжения, длительность которых равна 13,3 микросекундам, что соответствует времени прохождения световым импульсом расстояния 4 км (2 км до облака и обратно). Передний фронт формируемых импульсов совпадает с моментом прихода импульса запуска. Положительный импульс напряжения +Uподсв. (рис. 2 в) поступает на управляющий электрод электронно-лучевой трубки. Во время действия этого импульса экран ЭЛТ светится. Отрицательный импульс напряжения -Uподсв. (рис. 2 г) поступает на генератор горизонтальной развертки и генератор калибровочных меток. Генератор горизонтальной развертки вырабатывает напряжение Uразв. пилообразной формы (рис. 2 д), нарастание которого начинается в момент появления отрицательного импульса напряжения и продолжается пока существует импульс -Uподсв.. Поскольку запуск генератора развертки происходит одновременно с посылкой в пространство зондирующего импульса, отраженный сигнал, наблюдаемый на экране ЭЛТ отстоит тем дальше от начала развертки, чем больше высота нижней границы облака. Напряжение горизонтальной развертки поступает только на одну отклоняющую пластину ЭЛТ. На вторую пластину подается напряжение, снимаемое с ползунка потенциометра R13. Изменяя напряжение на второй пластине, можно смещать по горизонтали изображение на экране ЭЛТ. Ось потенциометра соединена с указательной стрелкой шкального устройства. Для отсчета расстояния до нижней границы облачности необходимо поворачивать ось потенциометра R13 до тех пор, пока середина переднего фронта отраженного импульса не окажется расположенной на вертикальной линии, проходящей через центр экрана электронно-лучевой трубки. Генератор калибровочных меток вырабатывает импульсы Uмет. (рис. 2 е), первый из которых появляется в момент посылки зондирующего импульса. Калибровочные импульсы генерируются высокостабильным генератором, что позволяет проверить правильность градуировки шкалы высот и, тем самым, точность отсчетов при измерениях. В состав измерителя высоты нижней границы облаков ИВО-Iм входят: - Передатчик световых импульсов. - Приемник световых импульсов 9 - Пульт управления Центральным устройством ИВО-Iм является пульт управления, в котором размещены не только органы управления всех устройств измерителя, устройства индикации отраженного сигнала и шкальный механизм, но также и часть устройств передающего и приемного тракта. 10 2. ПЕРЕДАТЧИК СВЕТОВЫХ ИМПУЛЬСОВ Пульт управления ~220 в. 50 Гц. Высоковольтный выпрямитель Др2 VD5 кабель Упрощенная (функциональная) схема передатчика световых импульсов представлена на рис. 3. Передатчик R1 VL +Uвв C55 -Uвв Импул ьс C56 Rab запуска Рис. 3. Упрощенная функциональная схема передатчика световых импульсов. Высоковольтный выпрямитель передатчика размещен в пульте управления. Он вырабатывает постоянное напряжение Uвв2,2 кВ. Рассмотрим цикл работы передатчика, начиная с момента, когда завершена генерация очередного светового импульса. После окончания генерации очередного импульса в схеме будут разряжены конденсаторы С55 и С56. Далее, напряжение на конденсаторе С55, называемом накопительным, растет за счет протекания тока заряда по цепи: плюс Uвв - дроссель Др2 - диод VD5 - конденсатор С55 минус Uвв . В этой цепи диод VD5, пропускающий ток в прямом направлении, открыт и имеет небольшое сопротивление. В результате дроссель Др2 и конденсатор С55 образуют 11 колебательный контур высокой добротности и изменение тока заряда в этой цепи происходит по синусоидальному закону. Iзар. 0 a) t1 2t1 t UC55 2Uвв б) Uвв 0 t1 2t1 t2 t UC56 Uвв в) Uподж 0 t Uзап. г) 0 t 0 t UR11 UC1 д) U Рис. 4. Временные диаграммы, поясняющие принцип действия передатчика световых импульсов. Рост тока iзар. (рис. 4 а) сопровождается увеличением энергии магнитного поля, возникающего в сердечнике дросселя Др2. В момент времени t1 ток достигает максимального значения, конденсатор С55 оказывается заряженным до напряжения Uвв; причем, скорость заряда в этот момент максимальна. По мере дальнейшего нарастания напряжения на конденсаторе С55, ток заряда падает и в момент времени 2t1 становится равным нулю. К этому времени напряжение на конденсаторе С55 вырастает до 12 величины, почти равной 4,4 кВ. (Если бы колебательный контур был идеальным, т.е. в нем не было потерь энергии, то напряжение оказалось бы равным удвоенному значению напряжения источника питания. В реальной ситуации, поскольку в колебательном контуре имеются потери энергии, значение напряжения будет несколько ниже, чем 2 Uвв). Если бы в цепи заряда не было бы нелинейного элемента – диода VD5, то с момента 2tI ток стал бы отрицательным (изменил бы направление) и начался разряд конденсатора С55. Однако, ток отрицательным не становится, в обратную сторону диод VD5 ток не проводит. Поэтому напряжение на конденсаторе С55, начиная с момента 2tI перестает изменяться (рис. 4 б). Рассмотрим процесс формирования светового импульса лампой VL (рис. 3). Световой импульс возникает при протекании сильного тока (измеряемого десятками ампер) по ионизированному каналу, образующемуся между электродами газонаполненной лампы. Напряжение на заряженном конденсаторе С55, присоединенном к лампе VL, недостаточно для пробоя газового промежутка между электродами лампы. Начальная ионизация в газоразрядной лампе VL возникает за счет пробоя газового промежутка между электродом поджига и одним из основных электродов лампы. Для пробоя этого газового промежутка необходимо, чтобы напряжение на электроде поджига достигло величины Uподж, зависящей от напряжения между основными электродами лампы (в данной схеме оно равно напряжению на конденсаторе С55). Для напряжения , UС55 = 4,4 кВ напряжение поджига Uподж. = 1,6 - 1,8 кВ. Напряжение поджига формируется от высоковольтного выпрямителя через переменный резистор R1. Напряжение на конденсаторе С56 изменяется по экспоненциальному закону (рис. 4 в) и стремится к установившемуся значению, равному Uвв (2,2 кВ), которое больше напряжения поджига. В момент t2 возрастающее напряжение на конденсаторе С56 достигает напряжения поджига Uподж. и происходит генерация светового импульса. Изменяя величину сопротивления R1 («Частота»), можно менять скорость заряда конденсатора С56, и, таким образом, частоту посылок световых импульсов. Импульс тока разряда конденсатора С55 протекает через лампу VL и проволочную перемычку а-в. Импульс тока разряда С55 очень велик, и поэтому даже на небольшом сопротивлении R а-в проволочной перемычки возникает достаточно большое импульсное напряжение, называемое импульсом запуска (рис. 4 г). Импульс 13 запуска поступает по кабелю связи из передатчика в пульт управления. Свечение газового промежутка продолжается до тех пор, пока не произойдет практически полный разряд конденсатора С55. Конденсатор С56 за это время также успевает полностью разрядиться, так как величина его емкости существенно меньше (в 10 раз) емкости конденсатора С55, а цепи их разряда, проводящие ток газовые промежутки, имеют практически одинаковые сопротивления. Светящийся промежуток импульсной лампы 1 находится в фокусе параболического отражателя и излученный световой импульс направляется вертикально вверх. 3. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ПЕРЕДАТЧИКЕ СВЕТОВЫХ ИМПУЛЬСОВ ДЛЯ СТУДЕНТОВ ГР. «И» Полная принципиальная схема передатчика представлена на рис. 5. Сетевое напряжение поступает на первичную обмотку повышающего трансформатора Т3 при включенном тумблере S2 (при замкнутых контактах 1-3, 2-4) и включенном тумблере S1 (при замкнутых контактах 1-5). Тумблер S2 коммутирует сетевое напряжение также и к другим трансформаторам узлов питания ИВО-Iм. Тумблер S1 включает трансформатор Т3 только на время измерения высоты нижней границы облачности (на 10-15 секунд). Тумблер S3 управляет положением крышек приемника и передатчика. В положении «открыто» сетевое напряжение продолжает через контакты 2-4 поступать в схему, даже если тумблер S2 выключен. Это предотвращает неправильные действия оператора и исключает возможность отключение аппаратуры с открытыми крышками приемника и передатчика. На вторичной обмотке трансформатора возникает переменное высокое напряжение, которое поступает на выпрямитель, работающий в режиме удвоения напряжения. Рассмотрим принцип действия этого выпрямителя. Пусть в первый полупериод на нижнем выводе 21 вторичной обмотки трансформатора Т3 будет положительная полуволна напряжения, а на верхнем - (15-ом) - отрицательная. Тогда от нижнего вывода будет протекать ток через открытый диод VD8 и конденсатор С67 (а параллельно, слабый ток через высокоомный резистор R62) к верхнему выводу 15. ~220 в 50 Гц 2 S2 1 Вкл. Закр. 5 1 S3 2 S1 6 4 5 3 ~6,3в 21 15 VD8 VD1 R9 R11 R62 C67 VD7 С1 VD4 R87 R63 Узел управления положением крышек передатчика и приемника 1 1 6 2 3 5 6 C39 1 4 R65 R2 H22 H21 H20 H19 R60 Имп. запуска R64 К приемнику R10 R1 ДР2 VD5 + - R60 R85 Рис.5. Принципиальная схема передатчика световых импульсов. 2 6 3 Откр. 4 Выкл. 6 4 5 3 F К первичным обмоткам ТР1 и ТР2 Пульт управления кабель VL R90 b а Передатчик Узел управления положением крышек передатчика C56 R89 R88 Rab C55 14 15 В результате, в момент когда напряжение на выводах Т3 достигнет максимального значения, конденсатор С67 окажется заряженным до амплитудного значения напряжения UT3 max. . Его левая обкладка будет иметь отрицательный потенциал, а правая - положительный. Через половину периода полярность напряжения на вторичной обмотке трансформатор изменится на противоположную; в этом полупериоде к напряжению на вторичной обмотке трансформатора Т3 будет добавляться напряжение, образовавшееся в предыдущий полупериод на конденсаторе С67. В момент, когда напряжение на обмотке Т2 достигнет максимальной величины UT3max , суммарное значение напряжения на выводах диода VD8 будет равно 2 UT3max. Полярность напряжения такова, что диод VD8 будет закрыт (на его верхнем выводе положительное напряжение, на нижнем отрицательное). Но диод VD7 для этого напряжения открыт и через него протекает ток, заряжающий конденсатор С39. (Очень слабый ток протекает также через резистор R63, имеющий большое сопротивление). В результате конденсатор С39 заряжается до напряжения равного примерно 2UT3max, которое равно 4,4 кВ. Это напряжение через резистор R88 поступает в схему заряда накопительной емкости С55 (через Др2, VD5, кабельную линию и R88) и для заряда конденсатора поджига С56 (через счетверенный потенциометр R1 и R2 и резисторы R85 и R89). Ток заряда, протекая через резистор R11, создает на нем падение напряжения (рис.4 д). Это напряжение через открытый диод VD4 заряжает конденсатор С1. После заряда конденсатора С1 происходит по экспоненциальному закону. Длительность разряда С1 существенно больше длительности разряда конденсатора С55. При переключении тумблера S1 в результате замыкания его контактов 2-6 начинает протекать ток через обмотку реле К (по цепи +300 В - резистор R10 - обмотку 8-7 реле К - контакты 6-2 тумблера S1 - общий вывод источников питания). Реле К срабатывает и его контакты переключаются. Конденсатор С1 разряжается через резистор R87 контакты 6-4 реле К и измерительный прибор Р. Показания прибора будут пропорциональны среднему значению протекшего через него тока, т.е. тем большим, чем чаще происходит разряд конденсатора С1, следовательно, чем чаще генерируются передатчиком световые импульсы. По показанию прибора Р контролируется частота посылки зондирующих импульсов. В исходном положении тумблера S1 обмотка реле К обесточена и тогда через измерительный прибор Р протекают полупериоды синусоидального тока от источника напряжения ~ 6,3 В. Ток течет через диод VD1, резистор R9, контакты 5-4 реле К и прибор Р. По 16 отклонению стрелки прибора можно судить о величине питающего (сетевого) напряжения. При включении тумблера S1, срабатывание реле приводит к включению 4-х ламп накаливания Н19-Н22, используемых для подсветки шкалы пульта управления ИВО-Iм. Ток протекает по цепи ~ 6,3В - контакты 3-1 реле К - лампы Н19-Н22 - общий провод источников питания. Образующийся на проволочной перемычке а-б импульс напряжения, по коаксиальному кабелю поступает из передатчика в пульт управления. Коаксиальный кабель нагружен на резисторы R60 и R41. Резистор R41 позволяет регулировать амплитуду импульса запуска, поступающего в схему генератора импульса подсветки. При выключении схемы начинают разряжаться заряженные высоковольтные конденсаторы. Конденсаторы С67 и С39 разряжаются через резисторы R62 и R63 соответственно. Конденсатор С55 разряжается через резисторы R88, R65, R64 и проволочную перемычку а-б. Конденсатор С56 разряжается через резисторы R89, R85, R2, R1, R63, R11. Наличие цепей разряда обеспечивает безопасность работы с отключенным прибором. Практически, через несколько секунд после отключения сетевого напряжения, в приборе происходит разряд высоковольтных конденсаторов, сохраняющих опасный для обслуживающего персонала заряд. Однако, следует помнить, что какой-либо из резисторов в цепи разряда, может оказаться неисправным. В этом случае напряжение на конденсаторе будет сохраняться очень длительное время. (У современных высоковольтных конденсаторов за счет саморазряда заряд за сутки уменьшается всего на 5-10%). Поэтому, при проведении ремонтных и регламентных работ необходимо убедиться, что конденсаторы разряжены! Для этого их обкладки закорачивают. Щупы, которыми производится закорачивание выводов, должны иметь надежную изоляцию, выдерживающую напряжение не менее 5 кВ. 17 4. ПРИЕМНИК СВЕТОВЫХ ИМПУЛЬСОВ Функциональная схема приемника световых импульсов (ПСИ) представлена на рис. 6 – 7. Конструктивно часть элементов ПСИ размещены в приемнике (в нем находится фотоэлемент и фотоусилитель) и в пульте управления (в нем размещены последние усилительные каскады, называемые видеоусилителем и узлы регулировки усиления). Предусмотрена возможность ручной и автоматической регулировки усиления. Фотоэлемент и фотоусилитель представлены на рис.6. Видеоусилитель вместе с узлами АРУ (автоматической регулировки усиления) и РРУ (ручной регулировки усиления) представлены на рис. 7. На рис. 8 представлены временные диаграммы, поясняющие процессы, которые происходят в ПСИ. Рассмотрим работу всего приемного тракта ИВО-1м. Отраженный световой поток поступает на параболический отражатель, в фокусе которого установлен фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) – см. рис. 6. ФЭУ (VL24) осуществляет преобразование светового потока в электрический сигнал. В дневное время световой поток, поступающий на ФЭУ, содержит постоянную составляющую F и отраженные сигналы (рис. 8а). В ночное время постоянная составляющая отсутствует (рис. 8б). При изменении светового потока меняется величина тока, протекающего через резистор R77 и ФЭУ. В результате меняется напряжение на аноде ФЭУ (VL24). Изменение анодного напряжения VL24, как правило, очень невелико и в последующих узлах ПСИ осуществляется его усиление. VL24 C48 R88 R66 R68 C44 VL26 C45 R81 R70 R67 R75' L8 Узел управления положением крышки приемника L7 C47 R71 C90 R72 C49 C46 R74 R76 П Р И Е М Н И VL27 К R73 R75 Рис.6. Принципиальная схема фотоусилителя. R79 R80 VL25 C43 R77 R78 C41 C42 К А Б Е Л Ь 7 6 5 4 3 2 1 18 7 6 5 4 3 2 1 R45 VL6 C45 R48 C31 C26 R47 L4 C29 VL7 R51 R49 R39 C35 R53 калибр сигнал R53 От генератора калибровочных меток C34 R50 L5 C33 S4 VL5 C37 R55 R52 C36 VD3 R57 R56 VL8a Рис.7. Принципиальная схема видеоусилителя. Узел управления положением крышек передатчика и приемника R51 C30 ПУЛЬТ УПРАВЛЕНИЯ +2 Кв. VL8b C38 R58 +300в. 6 S R5 R15 R37 R38 R39 -2 Кв. R44 C27 R7 R6 R4 -2,5в. -0,5в. 19 20 Fднем а) 0 t Fночью б) 0 t UаVL24 в) 0 0 UАРУ t t г) UС1 UаVL25 д) 0 UкVL25 t 0 Рис. 8. Временные диаграммы, поясняющие принцип действия приемника световых импульсов. Первый усилительный каскад выполнен на пентоде VL25. На вход каскада (на первую сетку пентода) через конденсатор С43 подается переменная составляющая напряжения UaVL24 - анодного напряжения фотоумножителя VL24. Кроме того, через резистор R88 на первую сетку поступает постоянное отрицательное напряжение регулировки усиления. (В режиме автоматической регулировки 21 усиления отрицательное напряжение может быть не постоянным, а медленно меняющимся в зависимости от изменения амплитуды отраженного сигнала). На вторую сетку - экранирующую - через резистор R81 подается постоянное напряжение питания. Ток, протекающий через индуктивность L7, резистор R80 и пентод VL25, зависит от напряжения UС1VL25 на первой сетке (рис. 8г). При изменении этого напряжения меняется ток, протекающий через L7, R80 и пентод и, следовательно, меняется напряжение UaVL25 на аноде VL 25 (рис. 8д). Изменения анодного напряжения существенно превышают изменения напряжения на сетке и противофазны ему. Поэтому, если с ростом величины светового потока растет ток ФЭУ и снижается напряжение на аноде UaVL24 , то одновременно растет анодное напряжение пентода VL25. Схемы остальных каскадов приемного тракта, выполненных на лампах VL26 (рис.6), VL6, VL7 (рис.7) практически не отличаются от схемы первого усилительного каскада. Переменная составляющая напряжения с выхода первого каскада через конденсатор С45 поступает на вход второго каскада, выполненного на пентоде VL26. Постоянное напряжение регулировки усиления поступает по аналогии с первым каскадом через резистор R68. Усиленный вторым каскадом сигнал поступает через разделительный конденсатор С49 на вход катодного повторителя, выполненного на пентоде VL27. Выход катодного повторителя соединен с коаксиальным кабелем, по которому сигнал из приемника поступает на пульт управления. В пульте управления сигнал поступает на видеоусилитель. Первый каскад видеоусилителя выполнен на пентоде VL6, далее усиленный сигнал в виде импульса положительной полярности поступает на выходной усилительный каскад на лампе VL7. После усиления выходным каскадом на пентоде VL7 сигнал в форме импульса отрицательной полярности через конденсатор С33 и переключатель S4 поступает на пластину вертикального отклонения луча ЭЛТ. Для того, чтобы наблюдаемый на экране сигнал имел форму импульса положительной полярности, напряжение с выходного каскада подается на нижнюю пластину вертикального отклонения (рис. 7). В режиме ручной регулировки усиления контакт S6 замыкается и отрицательное напряжение снимается со средней 22 точки потенциометра R6. Регулируемое по величине напряжение через резистор R7 и RC-фильтр, состоящий из резистора R75’ и конденсатора С48 (рис.6), подается на управляющие сетки первых двух усилительных каскадов. Чем отрицательнее будет напряжение, снимаемое со средней точки резистора R6, тем меньше будет коэффициент усиления первых двух усилительных каскадов. В режиме автоматической регулировки усиления контакт S6 размыкается. В схеме происходит преобразование сигнала, поступающего от выходного усилительного каскада на пентоде VL7, в отрицательное напряжение, необходимое для регулировки. Формирование напряжения АРУ осуществляется каскадами, выполненными на диоде VD3 и двойном триоде VL8. Напряжение АРУ снимается с анодной цепи триода VL8б, который включен в диодном режиме (сетка и анод соединены и работают как один электрод - анод). Этот каскад работает в режиме пикового детектора, то есть он преобразует сигнал, имеющий форму кратковременного импульса, в практически постоянное отрицательное напряжение, величина которого равна амплитуде импульса. Чем больше будет амплитуда отраженного сигнала, тем больше будет величина отрицательного напряжения, формируемого схемой АРУ, и тем меньшим будет коэффициент усиления первых двух каскадов приемного тракта. 5. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ПРИЕМНИКЕ СВЕТОВЫХ ИМПУЛЬСОВ ДЛЯ СТУДЕНТОВ ГРУПП «И» Катодный повторитель выполнен на пентоде VL27 и предназначен для согласования выхода фотоусилителя с кабельной линии. Сущность согласования поясняется на рис. 9. Каждый кабель характеризуется волновым сопротивлением и скоростью распространения в нем электрического сигнала Vk. Скорость Vk всегда меньше скорости света С. Обычно Vk = (0,3 – 0,5)·С . В некоторых кабелях она еще меньше. Если ко входу кабеля (рис. 9а) подключить генератор с внутренним сопротивлением Rг , а к его выходу сопротивление нагрузки RH, то нормальный режим передачи сигнала по кабелю обеспечивается лишь в том случае, если Rг = = RН . При этом 23 (рис. 9б,в) на выходе кабеля возникает сигнал через временной интервал t3 : t3 L , Vk ( 2) где L - длина кабеля. Rг ρ Vk а) Uн Rн G U L Uг б) 0 Uн t в) RГ Rk 0 t tз RГ Uн RH г) 0 tз 2tз Uн 2tз RГ 2tз tз 2tз t д) RH 2tз 0 2tз 2tз 2tз t Рис. 9. К пояснению режима согласования источника сигнала, кабеля связи и нагрузки. 24 Если RH и Rг , то режим работы кабеля называется несогласованным. При этом сигнал, доходя до концов кабеля, отражается и отраженный сигнал начинает распространяться по кабелю в другом направлении. В результате последовательных отражений сигнала концов кабеля, на его выходе будет наблюдаться большая совокупность импульсов (рис. 9г), первый из которых появится через время t3 , а последующие через временной интервал 2t3 . В зависимости от соотношений RH , и Rг импульсы на выходе могут быть знакопеременные (рис. 9д). В связи с постепенным поглощением энергии импульсов, они по амплитуде убывают по экспоненциальному закону. Если учесть, что на выход фотоусилителя наряду с полезным отраженным сигналом поступают также сигналы, отраженные от близлежащих местных предметов, то становится понятной недопустимость несогласованной работы кабеля связи - на выходе появится такое количество импульсов, что обнаружить среди них полезный отраженный сигнал покажется невозможным. Обычно волновое сопротивление кабеля измеряется десятками или сотнями Ом. (50 – 150 Ом). Поэтому для обеспечения согласованного режима работы необходимо иметь каскад, обладающий столь же низким выходным сопротивлением. Таким каскадом является катодный повторитель. (Обычные усилительные каскады имеют выходное сопротивление, измеряемое тысячами Ом). Отметим, что коэффициент передачи катодного повторителя по напряжению меньше единицы - порядка 0,7 - 0,8. С выхода катодного повторителя (с катода VL27) сигнал в форме отрицательного импульса напряжения поступает (рис. 6) по коаксиальному кабелю на вход усилительного каскада, выполненного на пентоде VL6 (см. рис. 7). После усиления двумя усилительными каскадами на пентодах VL6 и VL7 сигнал поступает в две цепи - на отклоняющую систему ЭЛТ и в узел формирования сигнала автоматической регулировки усиления. В приемнике два режима регулировки усиления - ручной и автоматический. В ручном режиме регулировки усиления замыкается контакт S6 (рис. 6) и тогда при изменении положения ползунка потенциометра R6 плавно меняется напряжение регулировки усиления, которое поступает на первые два усилительных каскада приемного тракта. Отрицательное напряжение в узел ручной 25 регулировки усиления поступает от делителя напряжения R44, R15, R37, R38, R39, R5, R4. Делитель напряжения питается от высоковольтного выпрямителя - 2 Кв, используемого для питания электродов ЭЛТ. Для переводов приемника в режим автоматической регулировки усиления потенциометр R6 поворачивается до упора против часовой стрелки. При этом ползунок устанавливается в крайнее нижнее положение, а контакт S6, связанный механически с потенциометром R6 размыкается. Формирование напряжения усиления (АРУ) поясняется представленными на рис. 10. автоматической регулировки временными диаграммами, UR55 а) 0 t UR55 б) 0 t UR55 0 t в) UaVL8a г) 0 UaVL8б 0 t - 0,5 в. 1 t д) 2 Рис. 10. Временные диаграммы, поясняющие работу приемника в режиме АРУ. 26 Отраженный сигнал в форме отрицательного импульса напряжения снижает потенциал узла соединения R57, R55, C36, VD3. В исходном состоянии (до прихода отраженных сигналов) напряжение в этом узле равно: a U R55 U пит . R55 , R55 R57 (3) где Uanum. - напряжение анодного питания (+300В). Если амплитуда отраженного сигнала невелика (рис. 10а), то напряжение UR55 остается в момент прихода сигнала положительным, диод VD3 остается закрытым и сигнал АРУ не формируется. В этом случае не меняется напряжение на электродах триода VL8а и триода VL8б (рис. 7). По кабелю в приемник поступает напряжение, снимаемое с резистора R4 (примерно минус 0,5 В). Это напряжение подается на первые два усилительных каскада через резисторы R6, R7, RC - фильтр на элементах R75’ и С48. Коэффициент усиления приемного тракта при таком напряжении в цепи регулировки усиления приемника максимален. Если амплитуда отраженного сигнала значительна (рис. 10б), то напряжение U55 на резисторе R55 становится в момент прихода отраженного сигнала отрицательным. При этом открывается диод VD3 и через открытый диод до минимального значения отрицательного напряжения заряжается конденсатор С37. После завершения действия импульса диод закрывается и конденсатор С37 медленно разряжается через резистор R56. Постоянная времени цепи разряда велика (измеряется миллисекундами) и длительность импульса напряжения UС37 существенно больше длительности отраженного сигнала. (Длительность отраженного сигнала измеряется микросекундами, а напряжение на конденсаторе С37 единицами миллисекунд). Напряжение на конденсаторе С37 определяет потенциал сетки триода VL8а. При появлении импульса напряжения на сетке триода в его анодной цепи возникает усиленный по величине и противоположный по фазе импульс (рис. 10г). Этот импульс поступает на пиковый детектор, состоящий из конденсатора С38, резистора R6 и триода VL8. Триод включен в диодном режиме. При отсутствии импульса в анодной цепи VL8а токи через элементы пикового детектора не протекают и на его выходе (на аноде VL8б) 27 напряжение равно минус 0,5 В - напряжению, снимаемому с резистора R4 (рис. 9д, кривая 1). При появлении положительного импульса напряжения на аноде VL8а, начинает протекать ток через диод VL8б, который заряжает конденсатор С38. На аноде VL8б напряжение во время действия переднего фронта входного импульса практически не превышает нулевой уровень (превышение может измеряться десятыми долями вольта и доходить, в крайнем случае, до малого числа единиц вольт). Через открытый диод, имеющий малое сопротивление, происходит быстрый заряд конденсатора С38. При формировании заднего фронта импульса напряжение в анодной цепи VL8а снижается, и диод закрывается (т.к. напряжение на аноде диода становится отрицательным). Напряжение на аноде повторяет по форме задний фронт импульса в анодной цепи триода VL8а. Напряжение UаVL8б, изменяющееся до нулевого уровня, становится отрицательным. После завершения импульса на входе пикового детектора, сигнал на его выходе начинает медленно приближаться к своему установившемуся значению минус 0,5 В. Однако, постоянная времени цепи разряда конденсатора С37 через резистор R6 превышает одну секунду и, поэтому к моменту появления очередного импульса (т.е. 1/20 секунды), напряжение на выходе пикового детектора практически не успевает измениться. Оно имеет форму, отображаемую пунктирной кривой (рис. 10д, кривая 2). Чем больше амплитуда отраженного сигнала, тем более отрицательным будет напряжение UаVL8б на выходе пикового детектора. Это напряжение, возрастающее до нулевого уровня в момент прихода отраженного сигнала и практически постоянное все остальное время, RC- фильтр, состоящий из резистора R75’ и конденсатора С48 поступает в цепи управляющих сеток пентодов VL25 и VL26. На выходе RC-фильтра (на конденсаторе С48) напряжение АРУ - постоянное отрицательное (в нем не наблюдается изменений сигнала до нулевого уровня). 28 6. ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСА ПОДСВЕТКИ И ИМПУЛЬСА РАЗВЕРТКИ Генератор импульса подсветки предназначен для + формирования положительного U подсв. и отрицательного U подсв. (рис. 2) импульсов напряжения. Импульсы существуют синхронно и начинают формироваться в момент прихода импульса запуска. Длительность импульсов установлена равной 13,3 мкс, что соответствует времени прохождения световым импульсом расстояния 4 км (2 км до облака и обратно). Генератор управления. Импульсы, обеспечивают: импульса подсветки формируемые расположен генератором в пульте подсветки, - подсветку луча ЭЛТ на 13,3 мкс; - запуск генератора развертки; - запуск генератора меток дальности. Для подсветки луча ЭЛТ на ее управляющий электрод поступает положительный импульс напряжения U+подсв., для запуска генераторов на их входы - отрицательный импульс напряжения Uподсв.. Генератор развертки обеспечивает формирование экспоненциально нарастающего напряжения, поступающего на пластину горизонтального отклонения луча ЭЛТ. Нарастание напряжения начинается в момент прихода импульса запуска и продолжается 13,3 мкс. Принципиальная схема генератора импульса подсветки и генератора развертки представлена на рис. 11. В качестве импульса подсветки использован ждущий мультивибратор с катодной связью, выполненный на двойном триоде VL1. Положительный импульс запуска поступает из передатчика по коаксиальному кабелю на резистор R60. Потенциометр R41 позволяет регулировать амплитуду импульса. Далее импульс запуска через диод VD2 и конденсатор С3 поступает на управляющую сетку закрытой лампы VL1а и открывает ее. При этом напряжение на ее аноде падает. Уменьшение напряжения на аноде 29 VL1а через конденсатор С4 передается на сетку триода VL1b и триод закрывается. R60 R21 C3 C6 R82 К генератору калибровочных меток R41 VD2 Анодное напряжение триода VL1b возрастает. Триод VL1а будет открыт, а триод VL1b закрыт до тех пор, пока не произойдет перезарядка конденсатора С4. В процессе перезарядки растет R44 C27 R5 яркость U5 C4 U2 R23 R37 R34 C7 R83 R22 U4 VL1b R23 U3 фокусировка R38 R20 R39 U8 U7 C5 R5 VL5 C9 VL2 R25 R36 R4 C1 C 25 C R42 23 C 19 R59 R35 R13 40 R R26 Шкала высот R43 24 C +2Кв. Высоковольт ный выпрямитель Рис. 11. Принципиальная схема генератора импульса подсветки и генератора развертки. C26 -2Кв. Высоковольтный выпрямитель Импульс запуска R18 R17 VL1a C2 R19 R24 Ua1=+300 в. 30 31 сеточное напряжение триода VL1b и через 13,3 мкс он откроется. Напряжение на его аноде снизится до исходного уровня (предшествовавшего приходу импульса запуска), одновременно закроется триод VL1а и напряжение на его аноде увеличится. Положительный импульс напряжения на аноде VL1b поступает через резистор R83 и конденсатор С7 на управляющий электрод ЭЛТ. Отрицательный импульс напряжения на аноде VL1а поступает к генератору калибровочных меток и через конденсатор С5 на генератор развертки. Пентод VL2 генератора развертки в исходном состоянии открыт и напряжение на его аноде мало. При приходе отрицательного импульса напряжения на управляющую сетку пентод закрывается. В результате начинает заряжаться конденсатор С8 через переменный резистор R36 и резистор R25. Напряжение на конденсаторе С8 растет по экспоненциальному закону. Растущее напряжение поступает на одну из пластин горизонтального отклонения луча ЭЛТ. На вторую пластину ЭЛТ подается напряжение со средней точки потенциометра R13. При равенстве напряжения U7 на конденсаторе С8 напряжению U8 средней точки потенциометра R13 луч не отклоняется. Изменение напряжения U8 приводит к горизонтальному смещению луча ЭЛТ. Устанавливая с помощью потенциометра R13 изображение отраженного сигнала на середину экрана ЭЛТ, можно по шкале, сопряженной с потенциометром R13, определить расстояние до отражающего объекта. 7. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ СВЕДЕНИЯ ДЛЯ СТУДЕНТОВ ГРУППЫ «И» О ГЕНЕРАТОРЕ ИМПУЛЬСОВ ПОДСВЕТКИ И ГЕНЕРАТОРЕ РАЗВЕРТКИ Временные диаграммы, поясняющие генератора, представлены на рис. 12. принцип действия В исходном состоянии (до прихода импульса запуска) триод VL1b и пентод VL2 открыты, так как их управляющие сетки связаны через резисторы R23 и R24 с источником напряжения анодного питания Ua1 = +300 В. Через триод VL1b протекает анодный ток по цепи от Ua2 , через резистор R20, промежуток анод-катод VL1b, резистор R22 к общему выводу источников питания. U1 а) 0 U2 t0 t 32 33 В этой же лампе течет сеточный ток по цепи от Ua1 , через резистор R23, промежуток сетка-катод VL1b и резистор R22 к общему выводу источников питания. Через пентод VL2 протекает анодный ток по цепи от Ua3 , через переменный резистор R36, резисторы R25 (это два параллельно соединенных резистора), анод-катод VL2, к общему выводу источников питания. Ток экранирующей сетки пентода VL2 протекает от Ua1 , через резистор R26, промежуток вторая сеткакатод, к общему выводу источников питания. Ток управляющей сетки по цепи Ua1 , через резистор R24, промежуток сетка-катод, к общему выводу источников питания. В результате падает напряжение на резисторах, через которые протекают токи. Анодные напряжения перечисленных ламп низкие (рис. 12 в и 12 ж до момента времени t0) На катодах VL1а и VL1b устанавливается напряжение U5.1 (рис. 12 д), определяемое произведением: U5.1 = (I а VL 1в + I c VL 1в) ∙ R22 где I (4) и I c VL1b - анодный и сеточный токи триода VL1b. Напряжение U4 на сетке триода VL1b несколько превышает напряжение катода лампы. а VL1b Триод VL1а закрыт, так как на его управляющую сетку хотя и подается через резистор R82 положительное напряжение, снимаемое с нижней части переменного резистора R21, но это напряжение существенно меньше потенциала катода U5.1. Напряжение на аноде VL1а (напряжение U2 , рис. 12 б), равно напряжению питания каскада U а2. Таким образом, в исходном состоянии на левой обкладке конденсатора С4 напряжение высокое, равное U а2, а на правой относительно низкое. Низким, равным UVL2а min. (рис. 12 ж) анодному напряжению открытого пентода, будет напряжение на конденсаторе С8. В таком состоянии схема пребывает до прихода из передатчика импульса запуска. Импульс запуска приходит в пульт управления по коаксиальному кабелю на резисторы R60 и R41, которые согласованы с волновым сопротивлением кабеля. Положительный импульс запуска (рис. 12 а) регулируется по амплитуде переменным резистором R41 и через диод VD2 и 34 конденсатор С3 поступает на сетку триода VL1а. Суммарное напряжение импульса запуска и поступающего с нижней части резистора R21 достаточно для открывания триода. Триод VL1а открывается и начинает протекать анодный ток по цепи Uа2 через резистор R18, промежуток анод-катод VL1а, резистор R22, к общему выводу источников питания. В результате протекания тока по резистору R18 на нем падает напряжение и потенциал анода резко снижается (рис. 11 б в момент времени t0 ). Уменьшение напряжения через конденсатор С4 передается на сетку триода и напряжение U4 в момент t0 снижается на такую же величину, как напряжение на аноде триода VL1а. При этом сеточное напряжение становится отрицательным (рис. 12 г в момент t0) и триод VL1b закрывается. При запирании триода VL1b через резистор прекращает протекать анодный и сеточный ток этого триода. Анодный ток триода VL1а, текущий в это время через резистор, несколько меньше суммарного тока, протекавшего через резистор до прихода импульса запуска. Следовательно, уменьшается напряжение на катоде лампы VL1а. Оно становится равным U5.2 (рис. 12д). Напряжение U5.2 уже недостаточно для удержания триода VL1а в закрытом состоянии и он остается открытым даже после окончания действия импульса запуска. В результате его анодное напряжение продолжает оставаться низким. Это состояние схемы получило название квазиустойчивого. Возникшее в момент t0 значительное отрицательное напряжение на сетке триода VL1b, начиная с момента t0 , нарастает. Потенциал правой обкладки конденсатора С4 стремится к установившемуся значению Uа1 . Изменение напряжения га конденсаторе С4 происходит по экспоненциальному закону. Постоянная времени экспоненты определяется как: = (R23 + R откр. V L1a)∙С4 (5) где R откр. V L1a - сопротивление открытого диода VL1а. Через некоторое время (рис. 12 г в момент t0 ) потенциал правой обкладки С4 станет нулевым, а затем положительным. Однако до момента t1 он будет недостаточным для открывания триода и все это время триод будет закрыт. При этом напряжение на его аноде U3 будет высоким (рис. 12 в до момента t2). В момент t2 растущее напряжение на сетке триода VL1b становится таким, что триод открывается. Это приводит к 35 лавинообразному процессу, завершающемуся переходом системы из квазиустойчивого состояния в исходное, устойчивое. Действительно, пусть триод VL1b приоткроется и через него начнет протекать небольшой ток в анодной цепи. Этот ток, протекая через резистор R22, увеличивает падение напряжения на нем. В результате начнет уменьшаться анодный ток, протекающий через триод VL1а (его сеточное напряжение неизменно, а потенциал катода растет). Уменьшение анодного тока приводит к росту потенциала U2 анода VL1а. Увеличение напряжения U2 передается через конденсатор С4 на сетку триода VL1b. Растущее сеточное напряжение U4 (рис. 12 г в момент t1 ) еще сильнее открывает триод VL1b. В результате происходит лавинообразный процесс открывания триода VL1b, сопровождающийся резким уменьшением анодного напряжения (рис. 12 в, в момент времени t2 ) и некоторым повышением потенциала катода до величины U5.1 (рис. 12 д в момент t2 ). Триод VL1а лавинообразно закрывается и напряжение на его аноде резко увеличивается (рис. 12 б в момент t2 ). Положительный скачок напряжения U2 через конденсатор С4 передается на сетку триода VL1b. Таким образом, происходит лавинообразный процесс открывания триода VL1b, сопровождающийся резким уменьшением анодного напряжения U3 (рис.12 в в момент t2 ). Триод VL1а лавинообразно закрывается и напряжение на его аноде резко увеличивается (рис. 12 б в момент t3 ). Положительный скачок напряжения через С4 передается на сетку триода VL1b (рис. 12 г в момент t2 ). Однако, напряжение на сетке быстро возвращается к установившемуся значению, т.к. цепь, по которой протекает ток, меняющий напряжение конденсатора С4, имеет малое сопротивление участка сетка-катод триода VL1b из-за положительного напряжения на сетке. После завершения изменения напряжения на сетке триода VL1b (рис. 12 г в момент t3 ) генератор импульса подсветки возвращается в исходное состояние. В описании функциональной схемы (рис. 2) положительный импульс напряжения U3 и отрицательный импульс U2 обозначались соответственно Uподсв.+ и Uподсв.-. Импульс Uподсв.+ с анода VL 1в через резистор R83 и конденсатор С7 подается на управляющий электрод ЭЛТ VL 5. До момента tà на нем имеется постоянное отрицательное напряжение, снимаемое со средней точки переменного резистора R15. Оно меньше или равно напряжению на катоде ЭЛТ. (Равенство 36 наблюдается в крайнем правом положении ползунка потенциометра). В исходном состоянии устанавливается такое напряжение на управляющем электроде ЭЛТ, что электронный поток, создаваемый управляющим катодом, не может преодолеть потенциальный барьер, создаваемый управляющим электродом. Свечение экрана не наблюдается. При переходе генератора импульса подсветки в квазиустойчивое состояние положительный импульс напряжения на аноде VL1b через R83 и С7 повышает потенциал управляющего электрода ЭЛТ и электронный поток начинает преодолевать потенциальный барьер. Экран ЭЛТ начинает светиться. Свечение продолжается до тех пор, пока генератор импульса подсветки пребывает в квазиустойчивом состоянии. Для перемещения светящегося луча по горизонтали должно быть сформировано нарастающее напряжение, поступающее на пластины горизонтального отклонения луча. Напряжение развертки начинает формироваться в момент t0 . При переходе генератора импульса подсветки в квазиустойчивое состояние отрицательный импульс напряжения из анодной цепи VL1b через конденсатор С5 поступает на управляющую сетку пентода VL2 и запирает его. Напряжение на правой обкладке конденсатора С5 (по аналогии с процессом на конденсаторе С4) также стремится повышаться (рис. 12 е). Оно по экспоненциальному закону стремится к величине Uа1. Но заряд емкости С5 происходит через резистор R24 и открытый триод VL1а . Постоянная времени цепи заряда выбрана значительной. За 13,3 мкс напряжение на правой обкладке конденсатора С5 (а, следовательно, и на первой сетке пентода VL2) не успевает превысить потенциал запирания лампы (на рис. 12 е потенциал запирания Uзап. обозначен пунктирной линией, а изменение напряжения на сетке U6 - сплошной). Запирание пентода VL 2 приводит к возрастанию напряжения на его аноде. Однако, наличие конденсатора С8 приводит к тому, что напряжение на аноде меняется не скачкообразно (как при запирании триодов VL1а и VL1b), а плавно, по экспоненциальному закону. ПРИМЕЧАНИЕ: Напряжение на емкости не может изменяться скачком, так же как не может изменяться скачком ток, протекающий через индуктивность. Если емкость заряжена до напряжения U, то она обладает запасом энергии С∙U2 / 2. Аналогично, запас энергии индуктивности, по которой протекает ток I, равен L∙I2 / 2. Изменить запас энергии можно лишь постепенно. (Мгновенно запас энергии 37 может изменить лишь источник бесконечно большой мощности). Поэтому напряжение на емкости (и ток, протекающий через индуктивность) изменяются только плавно, постепенно. Поэтому, если, принудительно, скачком изменить напряжение на одной из обкладок конденсатора, то в первое мгновение заряд конденсатора и напряжение между его обкладками останутся прежними и скачок напряжения будет обязательно наблюдаться на другой его обкладке. (См., например, моменты t0 и t2 для напряжений U4 и U6 (рис. 12 г и 12 е). Рост напряжения на конденсаторе С8 происходит по экспоненциальному закону, и, если пренебречь малым начальным напряжением на нем UVL 2 a мин. и считать его равным нулю, то U7 = Ua3 1 - exp (- (t/RC) ) (6) где R = R36 + R25 - суммарное сопротивление в цепи заряда конденсатора. R =220-267 кОм (в зависимости от положения ползунка потенциометра R36); С8 = С8 + Смонт. + Сэлт пл + Свых (7) С8 - емкость конденсатора, С8= 15 пФ; Смонт. - монтажные емкости, обусловленные емкостной связью между корпусом прибора и проводниками, связывающими анодную цепь пентода VL 2 с пластинами горизонтального отклонения луча. Обычно Смонт = 16 - 20 пФ. Сэлт пл - емкость между корпусом прибора и пластиной горизонтального отклонения луча ЭЛТ. Обычно Сэлт пл = 6 - 7 пФ. Свых. - выходная емкость усилительного каскада. В основном, это емкость между анодом лампы и корпусом прибора. Следовательно, С8 48 - 40 пФ. Изменяющееся по экспоненциальному закону напряжение U7 , поступающее на пластину горизонтального отклонения луча, приводит к неравномерному по скорости перемещению луча ЭЛТ по горизонтали. В начале развертки скорость движения луча большая, больше, нежели в конце. Этим достигается, что ошибка измерений остается постоянной в начале развертки, когда расстояния до отражающего объекта невелики, скорость развертки выше и выше точность измерения. 38 Рост напряжения на аноде VL 2 продолжается до тех пор, пока пентод закрыт. При возврате генератора импульса подсветки в исходное состояние возникающий положительный скачок напряжения на аноде VL1а через конденсатор С5 передается на управляющую сетку пентода VL2 (рис. 12 е, в момент t2). Пентод открывается и через некоторое время (к моменту t4, рис. 12 ж) конденсатор С8 разряжается. Напряжение на аноде возвращается, а на сетке пентода U6 (рис. 12 е) на короткое время становится положительным, но после быстрого заряда конденсатора сеточным током первой сетки становится близким к нулевому значению. Во время уменьшения напряжения на аноде VL 2, луч на экране ЭЛТ должен двигаться в обратном направлении. Однако, начиная с момента t2 , луч перестает светиться, его обратное движение не наблюдается. На вторую пластину горизонтального отклонения луча ЭЛТ поступает напряжение, снимаемое с ползунка потенциометра R13. Когда напряжение на обоих отклоняющих пластинах ЭЛТ одинаково, луч находится в середине экрана. Изменяя напряжение на правой пластине ЭЛТ вращением ползунка потенциометра R13, можно менять временной интервал tзап. от момента t0 - запуска развертки до момента достижения лучом центра экрана. Действительно, напряжение U8 на средней потенциометра R13 (рис. 11) определяется соотношением: R13* R40 U 8 U a3 , R35 R59 R13 R40 точке (8) где R*13 - сопротивление между ползунком потенциометра R13 и его нижним по схеме выводом. Равенство напряжений U7 и U8 (рис. 11 и рис. 12 к) наблюдается в момент времени tзап.: t зап. R13* R40 U a 3 (1 exp( )) U a 3 . R C8 R35 R59 R13 R40 (9 ) 10)) ((11 39 Отсюда следует: t зап. R13* R40 exp( ) 1 . R C8 R35 R59 R13 R40 Следовательно: t зап. R13* R40 R C8 ln( 1 ). R35 R59 R13 R40 Отраженный от облака световой сигнал запаздывает относительно момента посылки светового зондирующего импульса на время : tотр. 2H C . (12) Однако, такое запаздывание отмечается только для светового сигнала, поступающего на вход приемного устройства. Прохождение электрического сигнала по приемному тракту не является мгновенным процессом. Каждый усилительный каскад проявляет слабо выраженные инерционные свойства, которыми практически всегда можно пренебречь. Однако, в данном случае, поскольку необходимо с высокой точностью измерять расстояния до отражающего объекта по временному запаздыванию сигнала, следует учитывать все временные задержки, возникающие во всех элементах тракта прохождения сигнала. Длительность задержки сигнала в приемном тракте tпр. зависит от числа усилительных каскадов. В приемном тракте ИВО - IМ пять усилительных каскадов и суммарная задержка сигнала в нем может достигать 1,4 - 1,6 мкс. Следовательно, на выходе последнего tотр. tотр. t пр. . (13) усилительного каскада сигнал появится с задержкой (14) (15) 40 Если в этот момент луч на экране ЭЛТ должен проходить через центр, необходимо обеспечить выполнение равенства: t отр. t зап. . Отсюда R13* R40 2H t пр. R C8 ln( 1 ). C R35 R59 R13 R40 И следовательно, R13* R40 С H (t пр. R C8 ln( 1 )). 2 R35 R59 R13 R40 (16) Обратим внимание на независимость результатов измерения высоты от напряжения Ua3 (рис. 11), питающего генератор развертки и делитель напряжения R35, R59, R13, R40. Это очень важная особенность принципа измерения высоты Н, существенно повышающая точность измерений. Величина R*13 потенциометра R13. зависит от угла поворота R13* R( ). ползунка (17 ) Тогда: H R( ) R40 С (t пр. R C8 ln( 1 )). 2 R35 R59 R13 R40 (18) Используемый в приборе потенциометр должен иметь линейную зависимость сопротивления R() от угла поворота ползунка. R ( ) R13 . max 41 (19) где max. = 260 - полный угол поворота ползунка потенциометра R13. У реально выпускаемых потенциометров зависимость R() отклоняется от линейной. Для того, чтобы при измерении не возникала погрешность, связанная с отклонением реальной зависимости от идеализированной линейной, в заводских условиях для каждого потенциометра R13 изготавливается индивидуальная шкала для отсчета значений Н. Каждый прибор комплектуется двумя шкалами. Один потенциометр R13 со своей шкалой устанавливается в прибор. Другой находится в ЗИПе (запасном имуществе прибора). При смене потенциометра R13, в случае его отказа, необходимо обязательно менять и шкалу прибора. В реальной схеме всегда наблюдаются отклонения величин сопротивлений и емкостей от номинальных значений. Переменные резисторы позволяют скомпенсировать эти отклонения. Резистор R40 позволяет откорректировать начальное (минимальное) горизонтальное отклонение луча, R59 - максимальное смещение по горизонтали, R36 - постоянную времени заряда емкостей С8. Используя для подстроечных регулировок эти переменные резисторы, можно добиться близкого соответствия показаний прибора реальным значениям измеряемой величины и произвести измерения с погрешностью, не превышающей паспортных значений, которые приведены в табл. 1. 42 8. ГЕНЕРАТОР КАЛИБРОВОЧНЫХ МЕТОК Генератор калибровочных меток (ГКМ) предназначен для оперативной проверки точности градуировки шкалы прибора и его настройки с целью уменьшения погрешности, ГКМ расположен в пульте управления. В момент посылки зондирующего сигнала ГКМ начинает вырабатывать последовательность кратковременных импульсов, частота следования которых равна 1,5 МГц и характеризуется высокой стабильностью. От ГКМ импульсы могут поступать через переключатель S4 (рис. 6) на пластину вертикального отклонения луча ЭЛТ и наблюдается на ее экране. Временной интервал, разделяющий соседние импульсы, равен 2/3 мкс. За это время световой импульс успевает пройти 200 метров в пространстве, т.е. учитывая прием отраженных сигналов, пространственный интервал, соответствующий соседним импульсам, равен 100 м. Это позволяет относительно просто производить проверку точности градуировки шкалы прибора. Принципиальная схема ГКМ представлена на рис. 13. ГКМ питается от источника +300 В через RC-фильтр, состоящий из резистора R27 и конденсаторов С11 и С17. На резисторе R27 падает часть напряжения источника питания, и напряжение анодного питания становится равным U (рис. 13). В исходном состоянии триод VL3а открыт. Через индуктивность L1 протекает постоянный ток (через колебательный контур L1 С13 С12) и колебания в нем отсутствуют. Напряжения на электродах ламп VL3 и VL4 постоянны и через элементы схемы протекают постоянные токи. При переходе генератора импульсов подсветки в квазиустойчивое состояние, отрицательный импульс напряжения поступает через конденсатор С10 на управляющую сетку триода VL 3а и закрывает его. В результате начинают происходить колебания в контуре L1 С13 С12 и переменное синусоидальное напряжение с частотой 1,5 МГц через конденсатор С15 поступает на управляющую сетку триода VL3b , а через конденсатор С14 на сетку выходного каскада ГКМ, выполненного на пентоде VL 4. Ток триода VL3b протекает через индуктивность L2 и переменная составляющая этого тока наводит ЭДС в индуктивности L1 колебательного контура. Благодаря этому в колебательный контур вносится энергия, которая восполняет потери в нем. В колебательном контуре происходят незатухающие колебания. U-подсв. С10 R28 С12 VL3а L1 С13 С14 +2кв С15 L2 VL5 VL3b R30 4 VL С16 R31 1 3 сигнал 2 калибр. С18 R33 видеоусилителя С выхода 4 S R32 Рис.13. Принципиальная схема генератора калибровочных меток R12 С11 С17 От генератора импульса подсветки +300 в. R27 43 44 Пентод L4 усиливает поступающий на него синусоидальный сигнал и ограничивает его. Выходные импульсы через конденсатор С16 и переключатель S4 поступают на пластину вертикального отклонения луча ЭЛТ в форме отрицательных импульсов напряжения (при установке переключателя S4 в положение «Калибровка»). 9. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ГЕНЕРАТОРЕ КАЛИБРОВОЧНЫХ МЕТОК ДЛЯ СТУДЕНТОВ ГРУППЫ «И» Временные диаграммы, поясняющие принцип действия ГКМ представлены на рис. 14. В исходном состоянии (до прихода импульса запуска) все лампы ГКМ открыты, т.к. на их управляющие сетки подано напряжение, равное нулю. Через индуктивность L1 и L2, а также через резистор R31 протекают постоянные токи. Напряжение на аноде VL3а и VL3b равно Uа4, а на аноде VL4 несколько ниже этой величины (на величину падения напряжения на резисторе R31, рис. 13 и 14 г, д). Колебательный контур L1 С13 С12 настраивается на частоту 1,5 МГц, с помощью подстроечного конденсатора С12. Контур зашунтирован резистором R12, подбираемым при заводской настройке таким образом, чтобы при открытой лампе VL3а суммарные потери в контуре были бы значительны и не допускали возникновения колебательного процесса, а при закрытой лампе VL3а (при меньших потерях) колебания могли бы возникать и поддерживаться. В момент t0 от генератора импульсов подсветки начинает приходить отрицательный импульс напряжения Uподс. (рис. 14 б). Напряжение на сетке триода VL1а становится меньше потенциала запирания лампы Uзап. (рис. 13 в). При запирании лампы VL3а в колебательном контуре L1-С12-С13 начинают происходить колебания и напряжение на аноде триода начинает изменяться (рис. 13 г). Переменная составляющая напряжения U2 через конденсатор С15 поступает в цепь сетки триода VL3б и протекающий через триод ток начинает изменяться с частотой собственных колебаний контура 1,5 МГц. 45 Uзап. а) 0 τ to Uподс . б) 0 to Uподс. τ t1 Uзап. в) 0 τ U2 г) Ua4 0 13,3 мкс. τ U3 д) Ua4 0 t2 τ Рис.14. Временные диаграммы, поясняющие действие генератора калибровочных импульсов. Ток триода VL3b протекает через индуктивность L2. За счет взаимной индукции, связывающий индуктивности L1 и L2, переменная составляющая тока, протекающего через индуктивность L2, наводит ЭДС в индуктивности L1 и в колебательный контур таким образом вносится энергия, компенсирующая потери в нем. Если вносимая в колебательный конур энергия будет равна энергии, теряемой в нем, то амплитуда колебаний в контуре будет неизменной (рис. 14 г, временной интервал t0 - t1 ). Резистор R12, шунтирующий колебательный контур, подбирается при заводской настройке таким, чтобы возникающие при запирании триода VL3а колебания имели бы неизменную амплитуду. При отпирании триода VL3а потери в колебательном контуре возрастают и амплитуда колебаний начинает убывать по экспоненциальному закону (рис. 14 г, временной интервал t1 - t2 ). 46 Напомним, что убывающие по амплитуде импульсы на экране ЭЛТ не видны, т.к. в момент t1 происходит гашение луча. Переменная составляющая напряжения U2 через конденсатор С14 поступает на управляющую сетку пентода VL4. В первые 3-4 положительных полупериода происходит заряд разделительного конденсатора С14, в результате чего на сетке VL4, наряду с переменной составляющей напряжения появляется отрицательная постоянная составляющая. Пентод VL4 начинает закрываться и после третьего-четвертого положительного полупериода входного сигнала открывается только на время действия положительных полуволн напряжения U2. Анодное напряжение имеет форму, представленную на рис. 13 д. Во время действия отрицательных полупериодов входного сигнала пентод VL4 закрывается и напряжение на его аноде становится равным Uа4. Переменная составляющая напряжения U3 через конденсатор С16 и переключатель S4, находящийся в положении «Калибровка» поступает в виде отрицательных импульсов напряжения на отклоняющую пластину вертикального отклонения луча ЭЛТ. Поскольку отрицательные импульсы напряжения поступают на нижнюю отклоняющую пластину, они отклоняют луч на экране ЭЛТ вверх. Для проверки правильности градуировки шкалы прибора в его паспорте приводится таблица, устанавливающая соответствие между порядковым номером импульса, вершина которого располагается в центре экрана ЭЛТ и углом поворота оси потенциометра R13. Шкала прибора имеет двойную градуировку - в градусах и метрах. Если при проверке градуировки с использованием генератора калибровочных меток обнаруживается расхождение относительно паспортных данных, превышающее два градуса, необходимо произвести корректировку шкалы прибора. Для этого следует выполнить подстройку, используя потенциометры генератора развертки R36, R40, R59. 47 10. УЗЛЫ УПРАВЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЕМ КРЫШЕК ПРИЕМНИКА И ПЕРЕДАТЧИКА В нормальном состоянии крышки приемника и передатчика закрыты. Они открываются на время проведения измерений. Управление их положением осуществляется дистанционно с пульта управления. Принципиальная схема узлов управления положением крышек представлена на рис. 15. У приемника и передатчика узлы управления положением крышек одинаковые и поэтому на рис. 15 показаны только узлы приемника. Питающее напряжение 220 В, 50 Гц поступает на разъем X1, и через предохранитель P и переключатель S2 подается на первичную обмотку трансформатора Т4. Вторичные обмотки трансформатора объединены в три параллельно соединенных группы (20-22, 11-12, 18-17), одна из которых состоит в свою очередь из трех последовательно соединенных обмоток (20-19, 13-14, 21-22). Это позволяет увеличить суммарный ток, отдаваемый в нагрузку. Напряжение в приемник и передатчик от вторичных обмоток трансформатора Т4 поступает через разъемы Х2 и Х4 и кабельные линии связи, а также тумблер S3 («Откр.» - «Закр.»). В приемнике и передатчике напряжение на реверсивный двигатель М поступает через концевые выключатели S7 и S8. Ток, протекающий через обмотку 3-4, сдвинут по фазе относительно тока, протекающего через обмотку 1-2 на угол близкий к 90, за счет применения конденсатора С3, включенного последовательно с обмоткой. Режим открывания крышек иллюстрируется упрощенной принципиальной схемой (рис. 16). В исходном состоянии при закрытых крышках контакты концевых выключателей S7 и S8 находятся в положении, приведенном на схеме (рис. 16 а). Поэтому, когда переключатель S3 переводится в положении «Откр.», на обе обмотки реверсивного двигателя поступает напряжение. Ротор двигателя начинает вращаться и перемещает крышки - они открываются. Открывание происходит до тех пор, пока не окажутся переключенными концевые выключатели S7 и S8. После их переключения соединения в схеме станут соответствовать приведенным на рис. 16 б. ~220 в 50 Гц СЕТЬ 2 1 S2 1 2 3 17 18 12 12 11 22 ОТКР. 2 4 4 ЗАКР. 5 S3 3 R14-2,4к 6 21 14 13 19 20 5 6 7 8 9 10 Н23 3 Х3b 3 Х3а 5 4 кабель 3 5 кабель 8 Х2b 4 5 3 5 8 Х2а S7 3 4 5 C3-0,25 C3- 4,0 передатчик передатчик 3 2 S8 6 4 1 3 1 6 2 Приемник Рис.15. Принципиальная схема узлов управления положением крышек приемника и передатчика 6 4 5 3 ВКЛ. Пульт управления 4 3 1 С2-0,25 М 2 48 ~ 220 в Т4 22 20 22 20 откр. 3 S3 1 5 8 з 3 S3 8 VL23 закр. R14 откр. 3 1 5 кабель кабель з 8 3 8 4 S8 3 1 S7 3 С1 2 1 S7 3 5 С3 4 6 5 S8 3 С1 С3 4 3 4 3 1 1 С2 М С2 М 2 2 Рис.16. Упрощенная принципиальная схема, иллюстрирующая режим открывания крышек. б) а) ~ 220 в Т4 закр. 49 50 После переключения концевых выключателей продолжает протекать ток по обмоткам двигателей по цепи, включающей вторичные обмотки трансформатора Т4, резистор R14, сигнальную лампу VL23 и обмотки двигателей. Этот ток достаточен для свечения лампы VL23, но пренебрежительно мал для работы двигателя. Крышки становятся открытыми до тех пор, пока переключатель не будет установлен в положение «Закр.». При переключении S3 гаснет лампа VL23, так как участок цепи, включающий резистор R24 и лампу VL23, оказывается закороченным контактами 1-5 переключателя S3. На обмотки двигателя начинает поступать напряжение. Однако, обратим внимание на произошедшие в схеме питания обмоток двигателя изменения. При переключении тумблера S3 из положения «Откр.» в положение «Закр.» схема соединения обмотки 3-4 двигателя М с выводами вторичной обмотки трансформатора Т4 не изменяется. В обоих случаях вывод 3 двигателя М соединен с выводом 22 вторичной обмотки трансформатора Т4, а вывод 4 соответственно с выводом 20. Выводы 1-2 обмотки двигателя М при переключении S7 - S8 включаются по-иному. Если при открывании крышек вывод 1 был соединен с выводом 22 трансформатора Т4, а вывод 2 с выводом 20, то при закрывании крышек вывод 1 будет соединен с выводом 20, а вывод 2 с выводом 22. При такой схеме соединений ротор двигателя будет вращаться в противоположную сторону и крышки будут закрываться. Вращение двигателей будет продолжаться до тех пор, пока контакты концевых переключателей S7 и S8 не будут возвращены в исходное состояние, соответствующее изображенному на рис. 16 а. После переключения концевых контактов выключателей цепь питания двигателей размыкается и двигатели останавливаются. В узле управления положением крышек предусмотрена возможность неправильных действий оператора, связанных с попыткой выключить прибор переключателем S2 «Вкл.» - «Выкл.» При открытых крышках приемника и передатчика; если крышки будут открыты, то выключение прибора не произойдет, т.к. сетевое напряжение будет продолжать поступать на сетевую (первичную) обмотку трансформатора Т4 через контакты 2-4 переключателя S3 («Откр.» - «Закр.»), (рис. 15). Будет продолжать светиться лампочка VL23 и это напомнит оператору о том, что крышки не закрыты. Оператор должен будет выполнить действия, направленные на закрывание крышек приемника и передатчика. 51 11. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ СВЕДЕНИЯ ОБ УЗЛЕ ПИТАНИЯ ПУЛЬТА УПРАВЛЕНИЯ И ПРИЕМНОГО ТРАКТА ДЛЯ СТУДЕНТОВ ГРУППЫ «И» Принципиальная схема узла питания представлена на рис. 17. Узел питания расположен в пульте управления. Сетевое напряжение поступает на трансформатор Т1, называемый силовым, через предохранитель F. На вторичных обмотках трансформатора образуются напряжения, необходимые для питания накальных цепей радиоламп и переменные напряжения, которые используются для питания выпрямителей. Для питания анодных цепей и цепей сеток каскадов приемника, генератора импульса подсветки, генератора калибровочных меток выпрямляется напряжение, образующееся на обмотках 13-12-14. Два противофазных напряжения с этих обмоток поступают на двухполупериодный выпрямитель на диодах VD3 – VD4. Выпрямленное напряжение поступает на LC - фильтр, выполненный на конденсаторах С21 и С22 и дросселе Др1. Фильтр сглаживает пульсации выпрямленного напряжения и на его выходе образуется постоянное напряжение +300 В, используемое для питания анодных цепей приемника. Для питания коллектора (третьего анода) ЭЛТ, узлов генератора развертки и горизонтального смещения луча ЭЛТ, выпрямляется переменное напряжение, образующееся на обмотках 7-12. Оно поступает на однополупериодный выпрямитель, собранный на диоде VD1 и сглаживается фильтром. Конденсаторы фильтра С24, С23, С25, резисторы R42 и R43. Выпрямленное напряжение на конденсаторе С24 равно примерно +2 кВ. Для питания отрицательным напряжением электродов ЭЛТ и схемы регулировки коэффициента усиления приемника выпрямляется напряжение, образующееся на обмотке 7-12. Оно поступает на однополупериодный выпрямитель, выполненный на диоде VD2 и сглаживается RC - фильтром на элементах С26, R44, С27 и поступает на делитель напряжения на резисторах R15, R37, R38, R39, R5, R4. Напряжение на выходе фильтра (на конденсаторе С27) равно минус 185 В. С элементов делителя снимаются отрицательные напряжения, необходимые для питания различных электродов ЭЛТ и схемы регулировки усиления приемника. ~220 в. К передатчику 18 17 18 10 14 12 13 12 7 6 5 К цепям накала радиоламп VD4 VD3 VD2 VD1 C21 Др1 C22 C25 C23 R37 R4 R5 R39 R38 Питание генератора развертки питание анодных цепей приемника яркость R15 R34 C27 R42 C7 R44 C26 +Uподсв. C24 R43 Рис.17. Принципиальная схема узлов питания пульта управления и приемника. ~220 в 50 Гц F Т1 К схеме АРУ VL5 52 53 Постоянное напряжение, поступающее со средней точки потенциометра R15 через резисторы R34, почти всегда меньше напряжения на катоде ЭЛТ. (Напряжение на катоде и на управляющем электроде равны только при крайне правом положении ползунка потенциометра). В исходном состоянии отрицательное напряжение на управляющем электроде относительно катода устанавливается таким, что электронный поток от катода к коллектору и люминисцентному экрану не проходит. Лишь при повышении напряжения на управляющем электроде во время действия положительного импульса, поступающего от генератора импульса подсветки Uподсв.+ , электронный поток начинает проходить к экрану и последний начинает светиться. Положение ползунка потенциометра R15 определяет яркость свечения экрана ЭЛТ. Напряжение на фокусирующем электроде меняется потенциометром R38. 54 12. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО МАКЕТА Лабораторный макет содержит измеритель высоты нижней границы облачности ИВО - IM, связанный с ним блок управления и контроля, лицевая панель которого представлена на рис. 18, и осциллограф С1-67. На лицевой панели блока управления блока и контроля изображены основные узлы ИВО - IM. В его правом нижнем углу расположена панель коммутации и контроля, на которой установлены четыре гнезда и переключатель контрольных напряжений. Переключатель соединен с шестью контрольными точками ИВО - IM и позволяет коммутировать (подключать) любую из них на вход осциллографа. Вход «У» осциллографа С1-67 подключается к гнездам «К входу У», расположенным справа от переключателя. Для удобства наблюдений за формой напряжений в различных точках схемы в лабораторном макете предусматривается возможность синхронизации осциллографа импульсами запуска, поступающими на пульт ИВО - IM из передатчика. Для этого импульсы запуска выведены к гнездам «К входу синхронизации», расположеным слева от переключателя. Блок управления и контроля лабораторного макета содержит имитатор работы передатчика световых импульсов и имитатор сигнала, отраженного от «облака». Необходимость включения в лабораторный макет имитатора передатчика световых импульсов объясняется тем, что, во-первых, мощные световые импульсы могут причинить вред находящимся в лаборатории студентам и сотрудникам, во-вторых, срок службы газоразрядной импульсной лампы очень ограничен и не допускается ее длительное включение более чем на 10 секунд. Этого времени включения достаточно для проведения однократного измерения высоты облачности (обычно достаточно 4-5 секунд), но очень мало для решения учебных задач. Поэтому при выполнении лабораторной работы импульсная газоразрядная лампа ИСШ-100-3 выключается, а излучение световых импульсов имитируется малогабаритной неоновой лампой. Имитатор передатчика вырабатывает также импульсы запуска, которые поступают от него в пульт управления к диоду VD2 (рис. 16). C26 R60 R41 VD2 -2кв. R44 C3 C6 R22 R37 R34 C7 R83 3 C5 C4 фокусировка R38 R21 VL1 R20 R22 R23 R39 VL5 C9 VL2 R25 R36 R15 R24 R4 C1 4 R40 R26 Шкала высот R13 R43 C25 R42 C23 C19 R59 R35 +300 в. Рис. 18. Лицевая панель блока управления и контроля. C27 2 R18 R19 яркость R5 Высоковольт. выпрямитель C2 R17 R20 Блок питания передатчика 1 Установка «высоты» нижней границы облачности передатчик облако приемник 0 5 10 15 20 25 3 6 4 5 6 Калибр. сигнал 5 ~220 в Панель коммутации К входу синхронизации 1 2 Выпрямитель К входу Y +300 в Схема АРУ Генератор меток Видеоусилитель Высоковольтный выпрямитель C24 55 56 Имитатор позволяет получать сигналы, отраженные от «облаков», находящихся на разной высоте. Высота «облаков» изменяется с помощью ручки «установка высоты нижней границы облачности», находящейся в левой нижней части блока управления и контроля лабораторного макета. С этой ручкой механически связано перемещающееся по вертикали изображение облака, рядом с которым в условных единицах нанесена шкала высот. В макете прибора при изменении высоты облачности меняется временная задержка отраженного сигнала относительно импульса запуска. Отраженный сигнал поступает на вход приемного тракта ИВО - IM. Поскольку любое подключение внешних устройств к выходу генератора развертки в контрольной точке 4 на схеме (рис. 18) существенно влияет на точность работы измерительной схемы из-за заметного изменения ее параметров, к переключателю контролируемых напряжений от точки 4 отвода нет. Для наблюдений за формой напряжения в этой точке изготовлен дублирующий генератор развертки, выход которого соединен с переключателем. Поэтому амплитуда и форма экспоненциально нарастающего напряжения на аноде пентода VL2 могут не вполне соответствовать наблюдаемым с помощью лабораторного макета. Наблюдаемую форму напряжений при четвертом положении переключателя контролируемых напряжений следует рассматривать как демонстрационную. 13. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 1. Проверить исходное положение органов управления приборов. На передней панели ИВО - IM тумблеры должны находится в положениях «Закр.» и «Выкл.». Положение остальных органов управления не изменять. На передней панели осциллографа С1-67 тумблер «Сеть» должен быть установлен в нижнее положение, переключатели «Вольт./дел.» - в положение 1, переключатель «Время/дел.» в положение 1 мкс. Положение остальных органов управления не изменять. На передней панели блока и контроля переключатель контролируемых напряжений в положение «1». 2. Убедиться в том, что приборы включены в сеть и осциллограф соединен с блоком управления и контроля. Гнездо «Усилитель У» осциллографа С1-67 должно быть соединено через 57 делитель напряжения 10:1 с гнездами «К входу У» блока управления и контроля. Гнездо «Синхр.» осциллографа должно быть соединено с гнездом «К входу синхронизации» блока управления и контроля. ИВО - IM и осциллограф должны быть соединены с сетевым щитком, расположенным на правой стенке. 3. Включить ИВО - IM. Для этого на передней панели пульта управления установить в положение «Вкл.» тумблер «Вкл. Выкл.». При этом загорается лампа подсветки шкалы высоты пульта управления и отклоняется стрелка измерительного прибора. При нормальной величине сетевого напряжения стрелка устанавливается в пределах красного сектора. Через 40-60 секунд после прогрева цепей накала радиоламп ИВО - IM готов к работе. 4. Включить осциллограф С1-67 тумблером «Сеть». При этом загорается лампочка индикации включения и после прогрева катода ЭЛТ осциллограф будет готов к работе. 5. Открыть крышку приемника и передатчика ИВО -IM. Для этого тумблер «Откр. - Закр.» установить в положение «Откр.». После открывания крышек на передней панели пульта управления загорается лампочка «Откр. крышка». 6. Определить параметры импульса запуска. Для этого в настоящем пункте работы и во всех последующих необходимо производить включение имитатора передатчика. Он включается при нажатии от себя до упора ручки перемещения указателя высоты. При этом в ИВО - IM включается передатчик и начинается посылка в пространство световых импульсов. В лабораторном макете вместо передатчика включается имитатор передатчика, который вырабатывает импульс запуска и на лицевой панели блока управления и контроля начинает мигать неоновая лампочка, имитирующая посылку световых импульсов. Кроме того, при нажатии на ручку гаснут лампы подсветки шкалы высот, и на экране ЭЛТ появляется линия развертки. На осциллографе наблюдается импульс запуска, формируемый имитатором передатчика. Срисовать с экрана осциллограмму. Выдерживать масштабы по оси абсцисс и ординат. Примечание: для получения устойчивого изображения на осциллографе установить режим внешней синхронизации. Для этого переключатель «Внутр. - Внеш. - Х» установить в положение «Внеш. 1:1», переключатель «Синхронизация» «+», «-», «», установить в положение «+», «». Затем, потенциометры «Уровень» и «Стаб.» установить в первоначальное положение, повернув до упора против часовой стрелки. Начать плавно поворачивать 58 потенциометр «Стаб.» до тех пор, пока не появится линия развертки на экране осциллографа. При появлении развертки установить потенциометр «Стаб.» в такое положение, чтобы система развертки осциллографа находилась на пороге генерации, но при этом лини развертки на экране не должно быть. Нужно на очень небольшой угол повернуть ручку «Стаб.» назад, против часовой стрелки. Затем начать плавное вращение по часовой стрелке потенциометра «Уровень» до появления устойчивого изображения. Линия развертки на экране осциллографа будет очень слабо светящейся, так как очень мала частота запуска. Яркое свечение лини развертки признак неправильной регулировки системы синхронизации осциллографа. 7. Определить параметры импульсов U+подсв. и U-подсв., вырабатываемых генератором импульса подсветки. Для этого переключатель контролируемых напряжений установить последовательно в положение 2 и 3. Установить ручки «Вольт./дел.» и «Время/дел.» в положения, при которых на экране осциллографа наблюдается сигнал, занимающий не менее 1/3 размера экрана по длине и высоте. Срисовать осциллограммы, соблюдая масштабы изображения. Оси осциллограмм должны быть проградуированы. 8. Определить параметры напряжения развертки. Для этого переключатель контролируемых напряжений установить в положение 4. Срисовать осциллограммы с экрана осциллографа. 9. Переключатель контролируемых напряжений установить в положение 5. При этом наблюдается усиленный сигнал, поступающий на вход усилителя приемной системы ИВО - IM. Срисовать осциллограмму сигнала. Снять зависимость временного запаздывания «отраженного сигнала» от высоты «облачности» и регистрировать зависимость tотр. = f(Н) запаздывания «отраженного» сигнала от высоты облака Н в условных единицах. 10. Установить переключатель контролируемых напряжений в положение 6. Тумблер «Сигнал-Калибр.», находящийся за окном в левой боковой стенке пульта управления ИВО - IM, установить в положение «Калибр.». Тогда при нажатой ручке шкалы высоты ИВО - IM на экране должны наблюдаться импульсы, вырабатываемые генератором калибровочных меток. Они малы по амплитуде и для того, чтобы их наблюдать, необходимо уменьшить масштаб по оси У осциллографа переключателем «Вольт/дел.». Срисовать осциллограммы напряжения генератора калибровочных меток. Определить время генерации меток дальности и период меток 59 – то есть время, проходящее от максимума одной метки до максимума другой. 11. Снять зависимость высоты, показываемой ИВО - IM от номера калибровочного импульса. Для этого смещать импульсы по экрану ЭЛТ, вращая ручку шкалы высот. Установив очередной импульс на экране ЭЛТ так, чтобы его вершина проходила через центр экрана, произвести отсчет высоты по шкале высоты. Проверить выдерживается ли стометровый интервал высот при изменении номера импульса на единицу. 12. Возвратить переключатель «Сигнал-Калибр.» (см. П. 10) в положение «Сигнал». Возвратить переключатель «Вольт/дел.» в положение 1. 13. Снять зависимость показаний ИВО-IM от высоты «облака», устанавливаемой в относительных единицах. Построить зависимость Н(n), где Н – показания прибора ИВО-1м, полученные при измерении, n – относительные единицы, снятые по шкале высоты. 14. Выключить лабораторный стенд. 14. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ ДЛЯ СТУДЕНТОВ ГРУППЫ «И» 15. Снять зависимость угла поворота стрелки указателя высоты в градусах от высоты Н. Обратить внимание на то, что нулевой высоте соответствует не нулевое значение угла. Объясните причину. Отчет по лабораторной работе должен содержать: Обобщенную функциональную схему прибора (аналогичную рис. 1). Краткое описание его основных узлов и их назначение. Основные технические характеристики прибора. Результаты измерений, выполненных по пунктам 6-14 (15 для гр. «И»), представленные в виде осциллограмм, таблиц, графиков. 60 Для студентов группы «И» дополнительно: 5. Выполнить расчет шкалы прибора для случая линейной зависимости сопротивления R13 = R (α) от угла поворота ползунка. Для расчета шкалы высот использовать соотношение (18), выведенное на стр. 39, которое для линейной зависимости R13 будет иметь вид: R13 H R40 max С (t пр. R C 8 ln( 1 )). 2 R35 R59 R13 R40 ( 20) Для того, чтобы результаты расчета можно было бы сопоставить с реальной шкалой прибора ИВО - IM, обратить внимание на то , что отсчет углов в приборе производится не с нулевого значения, а с угла 50. Углу 50 соответствует значение R13 равно нулю. С учетом этого обстоятельства итоговое уравнение шкалы прибора приобретает вид: R13 H 0 R40 max С (t пр. R C 8 ln( 1 )). 2 R35 R59 R13 R40 ( 21) max. = 260 - полный угол поворота ползунка потенциометра R13. 0 = 50 - начальный угол поворота оси потенциометра. Расчет шкалы высот произвести для tпр = 1,42 мкс, RΣ =243,5 кОм, С8Σ = 44 пФ, R13 = 3,3 МОм, max. = 260 , 0 = 50, R35 = 680 кОм, R59 = 120 кОм, R40 = 75 кОм, С = 3·108 м/с. 6. Обратить внимание, что для углов меньших 85 значения высоты получаются отрицательными. Объяснить причину. 7. Сопоставить результаты расчета с данными, полученными по пункту 15 предыдущего раздела. Сделайте выводы о причинах расхождения результатов. 8. Построить график зависимости Н = f (α) и начертить шкалу прибора. 61 15. ЛИТЕРАТУРА 1. Качурин Л. Г. Методы метеорологических измерений. Методы зондирования атмосферы. – Л.: Гидрометеоиздат, 1985. – 455с. 2. Рейфер А. Б. и др. Справочник по гидрометеорологическим приборам и установкам. – Л.: Гидрометеоиздат, 1976. – 432 с. 3. Мержеевский А.И., Фокин А.А. Электроника и автоматика в метеорологии. Л.: Гидрометеоиздат, 1977 г. – 382 с. 4. Стернзат М.С. Метеорологические приборы и измерения. Л.: Гидрометеоиздат, 1978 г. – 382 с. УЧЕБНОЕ ИЗДАНИЕ Дивинский Леонид Исаевич ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №14 Исследование измерителя высоты облаков ИВО-1м Редактор И. Г. Максимова ЛР №020309 от 30.12.96 Подписано в печать ..............2002г. Формат 60×90 1/16 Бумага кн.-жур. Печ.л.3,8 Тираж 50 Зак..... Отпечатано .... РГГМУ, 195196, Малоохтинский пр.98. 62
