/
Author: Карлащук В.И. Карлащук С.В.
Tags: электротехника радиоаппаратура (радиоэлектронная аппаратура) электроника радиотехника радиоэлектронные аппараты
ISBN: 978-5-91359-009-1
Year: 2008
Text
иблиотека
нженера
Карлащук В. И., Карлащук С. В.
на IBM PC
Инструментальные средства
и моделирование элементов
практических схем
Electronics WorKbencn в схемотехнике
Измерительный комплекс на базе PC
Генератор сигналов
Осциллограф
Спектрограф
Измеритель АЧХ-ФЧХ
Практические примеры разработки схем
«солон»
ISBN 978-5-91359-009-1
9 785913 590091
УДК 621.38
ББК 32.844
К 21
Карлащук В. И., Карлащук С. В.
Электронная лаборатория на IBM PC. Инструментальные средства
и моделирование элементов практических схем. —
М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2008. — 144 с.: ил. — (Серия «Библиотека
инженера»)
ISBN 978-5-91359-009-1
Книга является приложением к одноименному двухтомнику 6-го издания. В
ней рассмотрены возможности использования аудио карты IBM PC (на примере
SBlive! 5.1 компании Creative Technology Ltd.) для создания измерительного комп-
лекса в составе осциллографа, генератора сигналов различной формы, спектроана-
лизатора, измерителя АЧХ-ФЧХ и др., а также примеры использования программы
Electronics Workbench для моделирования элементов при разработке практических
схем, в частности, системы охранной сигнализации и зарядно-восстановительного
устройства для малогабаритных аккумуляторов. Книга может быть полезной для
радиолюбителей, инженеров-разработчиков и студентов вузов.
Примеры и другая полезная информация для изучения материалов книги размеще-
ны на сайте www.solon-press.ru/pics-pri.zip.
КНИГА - ПОЧТОЙ
Книги издательства «СОЛОН-ПРЕСС» можно заказать наложенным платежом (оплата
при получении) по фиксированной цене. Заказ оформляется одним из трех способов:
1. Послать открытку или письмо по адресу: 123242, Москва, а/я 20.
2. Оформить заказ можно на сайте www.solon-press.ru в разделе «Книга — почтой».
3. Заказать по тел. (495) 254-44-10, 252-73-26.
Бесплатно высылается каталог издательства по почте. Для этого присылайте конверт
с маркой по адресу, указанному в п. 1.
При оформлении заказа следует правильно и полностью указать адрес, по которому
должны быть высланы книги, а также фамилию, имя и отчество получателя.
Желательно указать дополнительно свой телефон и адрес электронной почты.
Через Интернет Вы можете в любое время получить свежий каталог издательства
«СОЛОН-ПРЕСС», считав его с адреса www.solon-press.ru/kat.doc.
Интернет-магазин размещен на сайте www.solon-press.ru.
По вопросам приобретения обращаться: ООО «АЛЬЯНС-КНИГА КТК»
Тел: (495) 258-91-94, 258-91-95, www.abook.ru
Сайт издательства «СОЛОН-ПРЕСС»: www.solon-press.ru
E-mail: solon-avtor@coba.ru
ISBN 978-5-91359-009-1 © Карлащук В. И., Карлащук С. В., 2008
© Макет и обложка «СОЛОН-ПРЕСС», 2008
Введение
Бурное развитие компьютерных технологий привнесло новые
направления и в развитие информационно-измерительной техни-
ки на основе виртуальных измерительных систем с использовани-
ем так называемы DAQ-boards (Data AcQuisition Boards — платы
сбора данных), встраиваемых непосредственно в ПК, и специали-
зированных программных оболочек для сбора, обработки и визуа-
льного представления измерительной информации.
В состав DAQ-boards (на примере изделий компании National
Instruments) входят: многоканальные аналого-цифровые (АЦП) и
цифро-аналоговые (ЦАП) преобразователи, счетчики/таймеры с
программно управляемыми коэффициентами передачи по измеря-
емым величинам; процессоры сбора и обработки данных (на базе
Intel 80486, Intel Pentium и сигнальных процессоров, аналогичных
используемым в аудио картах), внешние программно-управляемые
модули предварительной обработки сигналов SCXI (обмен данны-
ми по шинам ISA, EISA), законченные программно-управляемые
приборы, работающие в интерфейсах RS-232, IEEE488, VXI, VME,
Q-bus и GPIB (многофункциональный интерфейс фирмы HP),
терминалы, сетевое и вспомогательное оборудование. Заметим,
что аналогичное оборудование других производителей и соответ-
ствующее программное обеспечение распространяется, например,
российской компанией ProSoft, занимающейся автоматизацией
технологических процессов.
Управление перечисленным оборудованием (на примере про-
граммы LabVIEW той же National Instruments) осуществляется че-
рез графический пользовательский интерфейс GUI (Graphics User
Interface) с использованием технологии Drag-and-Drop (перенес и
положил) путем манипулирования элементам управления на вир-
туальйых приборных панелях, которые компонуются с помощью
графического программирования с использованием:
— сетевых суперсред для обеспечения функционирования на
распределенных информационных средах;
— интегрированных измерительных оболочек большой, сред-
ней и малой мощности для сбора, обработки и визуального
представления информации;
— проблемно-ориентированных оболочек для решения ограни-
ченного круга измерительных задач;
3
Введение
— прикладных проблемно-ориентированных пакетов для рас-
ширения функциональных возможностей программных обо-
лочек в конкретной предметной области;
— инструментальных пакетов для расширения функциональ-
ных возможностей виртуальных инструментов;
— библиотеки драйверов (часто в виде расширения обычных
языков программирования);
— экспертных систем и баз данных;
— вспомогательных интерактивных проблемно-решающих
средств (например, MATHLAB);
— демонстрационно-обучающих программ;
— средств автоматизированного проектирования измеритель-
ных систем (DAQ Designer).
Следует заметить, что новая версия программы Electronics Wor-
kbench (EWB) (Multisim 9) [2], разработанная компанией Interacti-
ve (Electronics Workbench) уже в статусе подразделения National
Instruments, полностью интегрируется с последней версией про-
граммы Lab VIEW 8.0.
В настоящее время программно-аппаратный комплекс National
Instruments LabVIEW наибольшее распространение получил в
учебных заведениях. Так, на его базе на кафедре общей физики и
волновых процессов физического факультета МГУ создан лабора-
торный практикум по современным системам автоматизации на-
учных исследований, предусматривающий создание и ознакомле-
ние с методикой применения приборов следующего назначения:
— одновременный мониторинг температуры тела, влажности,
сопротивления кожи и ЭКГ;
— создание программируемого источника питания и генерато-
ра гармонических сигналов с частотой до 1 Гц;
— определение идентификационных параметров объекта путем
определения центра масс груза произвольной формы и ото-
бражение платформы весов с выделением груза с помощью
видеокамеры;
— программирование цифровых сигнальных процессоров (со-
здание двухканального генератора сигналов гармонической,
прямоугольной, треугольной формы и шумовых сигналов
различного типа);
4
— управление шаговым двигателем с двумя статорными обмот-
ками с помощью контроллера, управляемого по шине USB,
и распознавание объектов по шаблону;
— автоматическое обнаружение и слежение за движущимися
объектами с помощью оптического детектора движения;
— дистанционное управление осциллографом Tektronix
TDS-1012 с использованием интерфейсов GPIB и RS-232
для трансляции результатов измерения на ПК;
— автоматическое распознавание показаний аналогового стре-
лочного прибора с помощью видеокамеры;
— проведение спектрального и корреляционного анализа сиг-
налов с помощью созданных генератора и анализатора;
— исследование системы передачи данных по радиоканалу и
оптической линии связи (кодировка и формирование сигна-
ла, передача, прием и расшифровка сообщения).
Из приведенных сведений видно, что Lab VIEW обладает доста-
точно мощными аппаратно-программными средствами, однако
стоит это недешево. Например, для LabVIEW 8.0 потребуется ПК
с тактовой частотой процессора не менее 2 ГГц, свободным дис-
ковым пространством около 3 Гбайт, размером оперативной памя-
ти 1 Гбайт и операционной системой не ниже Windows 2000/ХР
Service Pack 2. К этому необходимо добавить дополнительное обо-
рудование от National Instruments стоимостью, превышающей сто-
имость самого ПК. Кроме того, потребуются дополнительные
средства и время на освоение этого гиганта, что, согласитесь, не
до плечу не только рядовому пользователю (радиоинженеру, пред-
принимателю, радиолюбителю и др.), но и многим предприятиям
и учебным заведениям. Учитывая эти обстоятельства, в первой
главе книги рассмотрено программное обеспечение для создания
$дртуальной измерительной лаборатории с минимальными требо-
ваниями к ПК и операционной системе (простейший Pentium со
свободным дисковым пространством около 15 Мбайт, оператив-
ной памятью 64 Мбайт, Windows95/98 и стандартной 16-битовой
аудио картой). При этом с помощью единственной аудио карты
удается реализовать:
1. Измерительные генераторы:
— белого и розового шума в непрерывном и прерывистом ре-
жимах;
Введение
— синусоидальных сигналов в непрерывном и прерывистом ре-
жимах, в режиме суммы из двух сигналов для измерения ин-
термодуляционных искажений, в режиме управляемого на-
пряжением генератора и свип-генератора;
— импульсных сигналов пилообразной формы с установкой ча-
стоты и полярности; треугольной и прямоугольной формы с
выбором частоты и коэффициента заполнения; импульсной
последовательности с заданием ширины импульса и паузы;
— кодовой последовательности.
2. Измерители частоты сигналов, амплитуды, действующего
значения, интермодуляционных и нелинейных искажений, отно-
шения сигнал/шум.
3. Двухканальный осциллограф.
4. Двухканальный спектроанализатор для измерения спектра и
спектрограмм (результаты измерения сопоставлялись с результата-
ми моделирования в среде EWB).
5. Измерители комплексных коэффициентов передачи четырех-
полюсников (АЧХ и ФЧХ).
Во второй главе книги приведен краткий обзор малогабаритных
химических источников питания (гальванических (сухих) элемен-
тов и аккумуляторов), рассмотрены методы заряда аккумуляторов
и модель никель-кадмиевого аккумулятора, приведены практиче-
ские схемы для заряда и восстановления никель-кадмиевых и ни-
кель-металлгидридных аккумуляторов.
В третьей главе книги приведены результаты разработки систе-
мы охранной сигнализации на базе акустических датчиков разру-
шения оконного стекла оригинальной конструкции (с моделиро-
ванием в EWB), пассивных инфракрасных датчиков движения
промышленного изготовления и магнитного датчика на входной
двери. Разработаны алгоритмы подавления помех от животных с
аппаратной реализацией и моделированием ее элементов в EWB.
Рассмотрены возможности сопряжения системы с устройствами
оповещения и дистанционного управления на базе телефонного
аппарата «Русь-28 СОНАТА» и промышленной системы контроля
и управления СТРАЖ SMS 3x5 GPS.
Замечания, пожелания и предложения направляйте по адресу:
123242, Москва, а/я 20, изд-во «СОЛОН-ПРЕСС»; электронная
почта: Solon-r@coba.ru; факс: (095) 252-7203; телефон: (095)
254-44-10, а также непосредственно автору по электронной почте:
wkarl@rambler.ru.
6
1. Инструментальные средства на базе
аудио карты IBM PC
Основой рассматриваемых ниже программ, размещенных на
сайте CityRadio.ru в разделе «Утилиты» и рассчитанных на приме-
нение стандартных аудио карт, является в основном спектральный
анализ периодических несинусоидальных сигналов x(t) с периодом
Т путем их разложения в ряд Фурье, который может быть пред-
ставлен в следующих формах [I—3]:
1. Классическая синусно-косинусная (вещественное представле-
ние):
/т 00
x(t) =-7 + cosCfoo,/) + bk sin^co,/)], (1.1)
£ = 1
2 772 2 7/2
где ак =— j х(/) cos^co^)^/, bk =— J— коэффици-
Т -Т/2 -Т/2
енты ряда; яо ~ постоянная составляющая; со| = 2л/Т — угловая
частота первой (основной) гармоники; к — номер гармоники.
В частности, для прямоугольного колебания амплитудой t7m,
симметричного относительно оси координат = 0)
x(Z) = (4t/m/K)[sincoZ + (l/3)sin3co/ + (l/5)sin5coZ + (l/7)sin7coZ + ...],(1.2)
откуда видно, что оно состоит из нечетных гармоник с соотноше-
нием амплитуд C/im: С/зт: = 1 : 1/3 : 1/5 : 1/7..., являю-
щимся основным информативным критерием для оценки исследу-
емого колебания; наличие же синусоидальных и косинусоидаль-
ных функций в (1.1) становится как бы непонятным и излишним.
2. Амплитудно-фазовая; в этом случае (1.1) записывается в виде:
а °°
40 = cos( bran + <рк) (1.3)
2 к-1
или после разложения косинуса
х(/) = — + С05<рл cos^co,/) - Ак sinsin^co^)]
2 к-\
Из сравнения (1.3) с (1.1) видно, что:
о* =Ак cosip*; bk = -Ак sin<pA,
7
1. Инструментальные средства на базе аудио карты IBM PC
откуда следует:
Ак = л/а* + b2k; Ф* = arctg\ —- = -arctg\ — .
I ak ) \ak )
3. Комплексная; используя формулу Эйлера
cos х = (е>х + e~Jx)/2,
из (1.3) получаем для этого случая:
x(t)=^- + Y—[ek0,l'+'ft + е-ЛИ|'+ф‘] = £cXW|'; (1-4)
2 k-\ 2 k=~™
Ck = ^-еу'м = y ~7y =y Jx(/)cos(£<B,/)A -
i 772 ] 772
-J— J xWsin^co,/)^/=-|х(/)е’ДШ|'Л
-T/2 * -T/2
С учетом дуальности времени и частоты (последняя обратно
пропорциональна периоду и, следовательно, времени) различают
следующие преобразования Фурье, определяющие спектр сигнала
и его зависимость от времени:
1. Непрерывное:
Х(ю) = J х(/)е->(Л; x(t) = J X(a)eJt0,da. (1.5)
Если с учетом соотношения <О| = 2л/Т (1.4) представить в виде:
00 Г/2
x(t) ^ТСке^‘-ТСк \x(t)e-^'dt,
2.ТХ, k=—xj 2.TL _т]2
то при СО] —> 0 эти соотношения превращаются в так называемую
пару непрерывных преобразований Фурье (1.5), поэтому связь
между коэффициентами Фурье и спектром будет определяться
формулой:
ТСк =Х(^)илиС, =1x^(0,) = у
2. Дискретно-непрерывное (с дискретизацией спектра по времени)
1 п/д/ -J
х(пЫ) = -*-[%, (<o)e Xp (co) = Д/ У x(n&t)e . (1.6)
2я _п/д, ,7=_х
3. Дискретное (с дискретизацией спектра по времени и частоте):
N-\ -i—kn 1 i—kn
XD(k) = ^xp(n)e " ,xp(n)=^-ZXo(k)e " , (1.7)
/7=0 kN 7J=o
где N = T/At = = fD /Kf — число выборок за период; /р — ча-
стота дискретизации.
4. Быстрое преобразование Фурье (БПФ или FFT (Fast Fourier
Transform)). Для этого случая дискретное преобразование Фурье
(ДПФ) (1.7) целесообразно представить в виде:
ГЛ. (1-8)
Х„ = — УАк^-кп, n=Q,K,N-l
, I kN к=0
где W = ехр(—2ту/А); Ак — коэффициенты ДПФ; Хп — отсчеты
сигнала.
Для вычисления одного элемента последовательности со-
гласно (1.8) необходимо выполнить примерно (V2 операций умно-
жения и сложения комплексных величин. БПФ обладает тем пре-
имуществом, что количество таких операций удается уменьшить
до N-logzN, причем с ростом N и, следовательно, увеличением точ-
ности воспроизведения спектра преимущества алгоритма БПФ
быстро возрастают при обработке массивов большой размерности.
Еще более заметен выигрыш БПФ при вычислениях двумерных
массивов чисел, например, при обработке изображений. В этом
случае требуется A^-logjN операций против N4 при простых вычис-
лениях ДПФ.
Реализация преимуществ БПФ достигается различными спосо-
бами. Наиболее известными являются две модификации алгорит-
Ма "БПФ: с прореживанием по времени и с прореживанием по час-
тоте. Как показано в работе [1], в обоих случаях путем обработки
четных и нечетных отсчетов составляющих формулы (1.8) достига-
ется уменьшение количества вычислительных операций до
A2-log27V значений.
1. Инструментальные средства на базе аудио карты IBM PC
1.1. Входное устройство для аудио карты
Входное устройство предназначено для защиты аудио карты от
повреждения при перегрузках по входу и выходу. Оно выполнено
на счетверенном операционном усилителе К1404УД2 (см. рис. 1.1,
а), питание которого производится по ленточному кабелю от ис-
точников +5 В и —5 В ПК через LC-фильтры (Др1-С1 и Др2-С2).
Внешний измерительный вход (ВхИ) левого (Л) и правого (П) ка-
налов (например двухканального осциллографа) ползунковым пе-
реключателем П1в и П1г в левом рабочем (Р) положении подклю-
чаются ленточным кабелем к соответствующим линейным входам
аудио карты (ВхАК) через инвертирующие усилители на ОУ 1.3 и
ОУ 1.4 с коэффициентом передачи 1 каждый и амплитудными огра-
ничителями по входному дифференциальному сигналу на диодах
Д1—Д4. Среднее положение 0 переключателей П1 соответствует ра-
зомкнутому состоянию входы/выходы аудио карты (например, для
независимой настройки ее параметров); их правое положение К
(Контроль) соответствует режиму контроля работы и калибровки
АК, при котором входы усилителей на ОУ 1.3 и ОУ 1.4 подключают-
ся к соответствующим выходам (левый к левому, правый к право-
му) инвертирующих усилителей мощности на ОУ 1.1 и ОУ 1.2 с
эмиттерными повторителями на транзисторах Tl, Т2 и ограничите-
льными резисторами R9, R10 на их выходах. Поскольку эмиттер-
ные повторители включены в цепь отрицательной обратной связи
ОУ, то искажения типа «ступенька» достаточно малы и не оказыва-
ют существенного влияния на линейность усилителей в целом при
коэффициенте усиления около двух. Входы усилителей подключа-
ются ленточным кабелем к выходам аудио карты (ВыхАК), а их
выходы через ГПа и П1б — к внешним измерительным выходам
ВыхИ, используемым в основном в качестве выходов сигнал-гене-
ратора, имитируемого аудио картой (см. разд. 1.3).
Конструктивно устройство выполнено на монтажной печатной
плате размером 50x70 мм (см. фото на рис. 1.1, в) и соединяется с
ПК ленточным кабелем (справа). Измерительные входы/выходы
расположены слева: верхние две клеммы — выходы, средние
две — общая шина (0, земля), нижние две — входы. Расположен-
ный справа движковый переключатель — типа ПД13-1.
Схема включения испытуемых устройств ПК и ЛК в общем
(идеальном) случае показана на рис. 1.1, б, откуда видно, что они
включаются между входами и выходами соответствующих каналов.
10
1.1. Входное устройство для аудио карты
Л*—
ВьххИ
РОК
П16
ВхИ г
п*—|-
шГ Т Т Т
--- * П1г
R1'
91к
Л
ВыхАК
ОУ1 К1401УД2
кз II ПЮУ1.1
75К 12 14
С2 1.0
R5180k
R4
Л
I R2
'91к
-5В
.13
+5В
8
75к
ОУ1.2
Др2 120 тлкГк
1R12
*91к
R13 91к
0У1.3
Т1
R7 1к
R9
Ц22
Д1
120 мкГк
R8 1к
Т2
а)
П
ВхАК
R14 91к
Т1,Т2-КТ3102Г
Д1-Д4-ККД522
ОУ1.4
б)
л
п
Л
в)
Рис. 1.1. Схемы (а, б) и конструкция (в) входного устройства
11
1. Инструментальные средства на базе аудио карты IBM PC
При этом в положении К переключателя П1 производится изме-
рение без испытуемых устройств, а в положении Р — с испытуе-
мыми с тем, чтобы получить результат в «чистом» виде путем
сравнения двух результатов. Поскольку в режиме К происходит
замыкание входа и выхода испытуемого устройства, то необходи-
мо быть уверенным в том, что это не приведет к их самовозбужде-
нию или изменению режима ОУ по постоянному току (это отно-
сится и к рабочему (Р) режиму).
1.2. Программа Sound Card Analyzer 2.0
Программа (архив scan.zip на сайте CityRadio.ru размером
465,3 Кбайт) рассчитана на работу в среде Windows 95/98/2000.
Она не требует специальной инсталляции и запускается файлом
scan.exe (438272 байт) при предварительно установленном пере-
ключателе П1 на схеме рис. 1.1, а в положение К (Контроль).
Для тестирования АК в главном окне программы (рис. 1.2) мо-
гут быть выбраны следующие команды и параметры:
Soundcard settings — кнопка вызова окна установленных про-
граммой параметров АК (рис. 1.3, а).
Рис. 1.2. Главное окно программы
12
1.2. Программа Sound Card Analyzer 2.0
Check I/O levels — кнопка запуска предварительного тестирова-
ния на допустимое различие каналов по входным и выходным
сигналам на уровне 0 dBFS и —6 dBFS THD (Total Harmonic Dis-
tortion — нелинейные искажения) относительно полномасштабно-
го (FS — full scale) кода преобразования, значения которого для
16-битного кодирования (см. рис. 1.3, а) определяется числами от
—32768 до +32768 уровней квантования (для положительной и от-
рицательной полуволны). Результаты тестирования приводятся в
окне Calibration, наложенном на малоинформативную часть окна
на рис. 1.2. Проведение дальнейших испытаний аудио карты счи-
тается возможным, если различие каналов по указанным парамет-
рам не превышает 1 дБ, что достигается их балансировкой в окне
Mixer аудио карты.
Test options — кнопка вызова окна установка уровня THD, при
котором будут проводится все последующие испытания (по умол-
чанию —3 дБ (см. рис. 1.3, б)).
Save results, HTML report — кнопки для вызова команд сохра-
нения результатов испытания в специальном (с расширением .sav)
или в HTML-формате в папке Cards программы.
Load results — кнопка для вызова команды загрузки файла (с
расширением .sav) с результатами выполненных ранее испытаний.
Цррле загрузки вызывается окно на рис. 1.4.
RUN TESTS ! — кнопка запуска тестирования параметров кар-
та, опционально выбираемых в блоке Select types of tests to per-
form в окне на рис. 1.2. Результаты испытаний в общем виде пред-
а) б)
Рис. 1.3. Окна установки параметров аудио карты (а)
и уровня нелинейных искажений (б)
13
1. Инструментальные средства на базе аудио карты IBM PC
Frequency response: ' | 6.22, +6j4dB | Average jfpDetaas... | pC^Graph...
’ Interference and noise: | 73.5 dB [ Average ' [fp Details... | £££ Graph...
, ; Dynamicrange:,. |3 -67.4 dB “ | Poor' . |fpDetails... | pyy Graph...
, ; THD + noise:< .. [ ---- -- JljJOetaSs^J ggr Graph...
7 • Stereo crosstalk: ' " • -6&2dB ; Average 7 jfpDetafc..’. I Graph... ’
t , General performance:, AVERAGE
7 \ 7 ' 'У \ QK |
Рис. 1 А. Окно с результатами испытаний
ставляются в окне на рис. 1.4, в котором кнопками Details и Graph
вызываются окна с более подробными сведениями в цифровом
или графическом виде. Рассмотрим эти результаты для каждого
тестируемого параметра.
Frequency response — тестирование амплитудно-частотной ха-
рактеристики (АЧХ) аудио карты и дополнительного входного
устройства на рис. 1.1. Поскольку полоса пропускания использо-
ванных операционных усилителей значительно больше (около
1 МГц) таковой для АК (20 кГц), то можно считать, что получен-
ные результаты определяются только аудио картой.
Численные значения неравномерности АЧХ даются для двух
диапазонов частот: 20 Гц — 20 кГц и 40 Гц — 15 кГц (см. рис. 1.4,
а). Получение данных в любой точке АЧХ (график на рис. 1.5)
а) б)
Рис. 1 А. Окна с результатами испытаний
14
1.2. Программа Sound Card Analyzer 2.0
производится установкой курсора мыши в интересующую точку
по частоте, при этом отсчет частоты и коэффициента передачи
индицируется в нижнем левом угле окна. Для увеличения (растяж-
ки) АЧХ по оси частот курсор мыши устанавливается в начало или
конец исследуемого участка и при нажатой левой кнопке протяги-
вается соответственно вправо или влево на длину участка (такой
прием масштабирования мышью можно использовать на всех рас-
сматриваемых далее графиках). Заметим, что опция Swap (учет
взаимного влияния каналов) не изменяет график АЧХ.
Рис. 1.5. АЧХ аудио карты SB Live!
Режим тестирования (измерения) АЧХ можно использовать для
определения АЧХ какой-либо электрической цепи. В качестве
примера рассмотрим случай определения основных параметров
последовательного колебательного контура, подключенного к
клеммам входного устройства согласно схеме на рис. 1.6, а (пере-
ключатель П1 — в положении К), на которой R — сопротивление
катушки L на постоянном токе. АЧХ для этого случая показана на
рис. 1.6, б.
Используя данные схемы на рис. 1.6, а, рассчитаем резонанс-
ную частоту контура (см. разд. 6.4 в [2]) f0 = (1/2л)[1/ЬС —
(R/L)2]1/2 = (1/2л)[1/2,7 • 2,2 • 10~6 - (55/2,7)2]'/2 = (1/270(168 • 103
— 415] •Z2 — 65,15 Гц и поставим в эту точку АЧХ на рис. 1.6, б кур-
сор мыши (из-за дискретности установки эта частота равна
15
64,5 Гц). Далее рассчитываем затухание контура d = R/2jifoL =
55/2л • 66,15 • 2,7 = 0,13 = —20 • 0,886 = —17,7 дБ. Если предполо-
жить, что в программе не используется множитель 20 при расчете
коэффициента передачи в децибелах, то расчетное значение зату-
хания практически совпадает с полученным результатом (0,04 +
0,83 = 0,87 дБ; 0,04 дБ взято из АЧХ на рис. 1.5).
Dynamic range (for —60 dB test signal) — определение динамиче-
ского диапазона, равного отношению сигнал/шум при низком
уровне (—60 дБ) тестового сигнала частотой 1000 Гц.
Численные значения параметра представлены в окне Dynamic
range (рис. 1.5, б) тремя величинами: отношением RMS (Root-Me-
an-Square — среднеквадратическое или действующее) значений
для правого и левого каналов; отношением RMS значений сигна-
Рис. 1.6. Схема подключения последовательного
колебательного контура (а) и АЧХ аудио карты SB Live!
для этого случая (б)
16
нов с учетом так называемой средневзвешенной А-добавки (A-we-
ighted), определяемой субъективным восприятия сигнала (с учетом
субгармоник) при прослушивании; постоянной составляющей
(DC offset).
Исследуемый параметр в графическом виде отображается
усредненным спектром выходного сигнала частотой 1 кГц с уче-
том его гармоник при размере окна FFT N = 4096 точек (рис. 1.7).
Рис. 1.7. Усредненный спектр сигнала в режиме Dynamic range
Interference and noise — тестирование спектральных характери-
стик аудио карты с использованием гармонического сигнала с
примесью нормированного белого шума, вызывающего ощущение
расширения динамического диапазона (так называемый Dithe-
ring-эффект).
Численные значения исследуемого параметра представлены в
окне Noise statistics (рис. 1.8, а) следующими величинами: спект-
ральной плотностью мощности шума (RMS power) для правого и
левого каналов; спектральной плотностью мощности шума с уче-
том А-добавки (A-weighted); пиковыми уровнями шума (Peak le-
vel); постоянной составляющей (DC offset).
Исследуемый параметр в графическом виде отображается
усредненным спектром сигнала при размере окна FFT 4096 точек
(рис. 1.9).
THD + noise — тест, аналогичный режиму Dynamic range с той
разницей, что уровень испытательного сигнала частотой 1 кГц со-
17
1. Инструментальные средства на базе аудио карты IBM PC
Noise statistics
THD+Noite at -3 dBFS
...Left .. Right
RMS power ' . | -69.7 dB | -713dB
; RMS po^j (Alighted):f-73 5 dB | -75.7 dB \
* Peaklevel: 7:' < [-56.6dB [ 4505dB
DC offset ч 7 л f 7-0'01 % | -0.01 % .
< THD:
i THD+Noise: -
j THD +Noi$e (A-weighted):
[ DC offset
3
Left Right
j 0.396 % [ 0.361 % г
| 0.489%: | 0.433% I
| 0.482 % | Q441% j
j.-0.02:%" J *0 02 % j
□
.У.Л.....................' . Л.
a) 6)
Рис. 1.8. Результаты тестирования
Рис. 1.9. Усредненный спектр сигнала в режиме
Interference and noise
ставляет —3 дБ от максимального значения, что приводит к суще-
ственным нелинейным искажениям. В этом случае числовые дан-
ные (см. рис. 1.8, б) содержат значения коэффициентов нелиней-
ных искажений с учетом только гармонического сигнала (параметр
THD, в сочетании с шумом (параметр THD + noise), в сочетании с
шумом и гармоническими составляющими (THD + noise (A-weigh-
ted)) и постоянной составляющей (DC offset). Усредненный спектр
сигнала в этом режиме подобен показанному на рис. 1.7
Stereo channels crosstalk — измерение взаимного влияния кана-
лов при уровне входного сигнала —20 дБ. Числовые значения при-
18
1.3. Программа Analyser
водятся для частот 100 Гц, I и Ю кГц, а в графическом виде — на
рис. 1.10.
Заметим, что в программе все осциллограммы изображены
цветными кривыми на черном фоне, что в черно-белом исполне-
нии будет выглядеть не очень привлекательно. Поэтому такие ри-
сунки были отредактированы в редакторе Paint Windows путем вы-
деления дисплейного поля и последующего применения команды
к выделенному участку Рисунок/Обратить цвета (Ctrl + I). Такая
же операция была проведена и для аналогичного графического
материала в последующих разделах.
Рис. 1.10. Графики взаимного влияния каналов
1.3. Программа Analyser
Программа (архив analyzer.zip, 1312 Кбайт) состоит из четырех
независимых подпрограмм: генератора сигналов (файл sig-gen.exe,
26920 байт), измерителя уровня сигналов (meter.exe, 45835 байт),
осциллографа (scope.exe, 32326 байт) и спектрального анализатора
(analyser.exe, 46152 байт). Рассмотрим имитируемые этими про-
граммами приборы.
Генератор сигналов (рис. 1.11, о) рассчитан на генерацию шумо-
вых и периодических сигналов частотой 20...20000 Гц следующей
формы (выбирается из списка в верхнем окне-строке): синусоида-
льной (Sine), треугольной или пилообразной (Triangle/Sawtooth),
19
1. Инструментальные средства на базе аудио карты IBM PC
прямоугольной (Square/Pulse) (у последних двух может быть задан
коэффициент заполнения в строке % Duty), импульсной (Impulse)
(в строке Samples (вместо % Duty) задается количество выборок),
белый (White) (с равномерным спектром) и розовый (Pink) (флик-
кер или низкочастотный) шум. Уровень выходного сигнала задает-
ся в децибелах в строке dB; частота периодических сигналов — в
единицах и сотых долях герца в строке Hz, а также дискретно в
меню Edit согласно стандарту ISO, в виде нот (Note) (С,
C#,...F,...B) и октав (Octave) (0—7).
В меню File единственная команда Exit — выход из программы,
что может быть выполнено и более простым стандартным спосо-
бом — щелчком по крестику в верхнем правом углу.
Запуск генератора производится кнопкой On с индикацией
включенного состояния зеленым «светодиодом» слева от нее; вы-
ключение генератора — кнопкой Off. При изменении частоты ра-
ботающего генератора цвет индикатора меняется на красный, а
кнопка On — на Update, которую необходимо нажать для продол-
жения работы. Формируемые генератором сигналы записываются
в файл GEN.TMP в WAV-формате; поэтому он может быть пере-
именован, например, в GEN.WAV и использован в дальнейшем
для различных целей.
Измеритель уровня (рис. 1.12, а) позволяет измерять:
— пиковые (Peak) значения сигналов в левом (Left) и правом
(Right) каналах, отображаемые на полной шкале Peak в диа-
пазоне 0...—96 дБ и ноунисной (две верхних) для диапазона
0...—18 дБ, а также в строке PEAK окна на рис. 1.11, в, вы-
Vectorwope
Ш Signal Generator ИН ESI
б)
Information
’: ’ Left (dB) Right'Difference
PEAK | <05 || -71й ~|| 0ДЗ -
RMSI 11 1Д13
Difference |~ 2,98 || 2,98 ~r .
Highest Peak | , < |
Relative Phase | |
в)
Рис. 1.1 /. Лицевая панель генератора сигналов (а)
и элементы измерителя уровня (б, в)
20
/.□. I IfJUdpaMivia Miiaiyoui
зываемого кнопкой Info; в строке Highest Peak окна отобра-
жается значение после повторного пуска кнопкой —7.03 dB;
— сренеквадратические значения сигналов в каналах, отобра-
жаемые на шкалах RMS, а также в строке RMS окна на
рис. 1.11, в;
— корреляцию сигналов по фазе в диапазоне 0...180 градусов,
отображаемую на шкале Corr., а также в виде фигуры Лисса-
жу в окне Vectorscope (рис. 1.11, 6), вызываемом кнопкой
Vector, и численного значения в строке Relative Phase окна
на рис. 1.11, в.
Из рис. 1.11, в нетрудно видеть, что в столбце Difference ото-
бражаются разностные значения параметров Peak и RMS для ка-
налов, а в одноименной строке — известные соотношения между
этими параметрами (2,98 дБ = 1/21/2). Запуск измерителя произво-
дится кнопкой Run, после чего она меняется на Stop. В меню File
выбираются источник входного сигнала (рассмотренный выше ге-
нератор), а также команда выхода из программы.
Осциллограф (рис. 1.12, б) обладает следующими характеристи-
ками:
— усиление по вертикали: —20...0...50 дБ; задается в верхней
строке-окне дискретно с шагом 10 дБ;
— длительность развертки: 1, 2, 5, 10, 20 и 50 мс; задается во
второй сверху строке-окне;
— сдвиг осциллограмм сигналов по вертикали с помощью пол-
зунковых регуляторов (слайдеров).
Рис. 1.12. Измеритель уровня (а) и осциллограф (б)
21
1. Инструментальные средства на базе аудио карты IBM PC
Режимы работы, выбираемые из списка в третьей сверху стро-
ке-окне:
— одноканальный режим (Ch. I — только левый; Ch.2 — только
правый);
— двухканальный режим (Dual);
— режим суммирования (Add) сигналов левого и правого кана-
лов;
— режим вычитания (Sub) сигналов правого канала из левого;
— режим плоттера (X-Y): развертка сигналов левого X канала
сигналами правого Y.
В меню File выбираются источник входного сигнала (рассмот-
ренный выше генератор), а также команда выхода из программы.
В меню Edit/Calibrate выбирается максимальный размах сигнала,
соответствующий максимальному числу уровней квантования (в
данном случае 32768/2). При использовании для калибровки сину-
соидального сигнала известного уровня необходимо учитывать,
что его действующее значение 1,228 В (амплитудное — 1,736 В)
соответствует +4 дБ. Запуск осциллографа производится кнопкой
Run, после чего она меняется на Stop с индикацией включенного
состояния зеленым «светодиодом».
Спектроанализатор (рис. 1.13) имеет следующие настройки:
В разделе Freq.:
Мах — выбор анализируемого диапазона частот: 5, 10 или
20 кГц, соответствующих частотам квантования 11025, 22050 или
44100 Гц;
Resolution — выбор разрешения по частоте: 22, 43, 86, 172, 345
и 689 Гц;
Log/Lin — кнопка переключения режима отображения оси час-
тот: логарифмический/линейный.
В разделе Level:
Мах — выбор уровня анализируемого сигнала с шагом 10 дБ в
диапазоне 0...80 дБ;
Ave/Max/Min — кнопка переключения режима усреднения вы-
борки: путем усреднения по числу выборок сигнала (Ave) или с
учетом его максимального (Мах) или минимального (Min) значе-
ний;
Range — диапазон отображаемых уровней; выбирается с шагом
20 дБ в диапазоне 20... 160 дБ;
22
1.3. Программа Analyser
dB/Lin — кнопка переключения режима отображения уровня
сигнала: логарифмический/линейный.
В разделе Time:
Ave — степень сглаживания спектра по числу выборок;
Exp/Lin — кнопка выбора режима усреднения сигнала в каждой
выборке: экспоненциальный или линейный (подробности — в
разд. 1.5);
Display — выбор режима отображения графика спектра: в виде
непрерывной кривой (Curve), ступенчатой (Steps) или гистограм-
мы (Bars);
Grid — кнопка включения/выключения градуировочной сетки.
Run/Stop — кнопка Пуск/Останов работы анализатора. Справа
от кнопки располагаются данные по уровню входного сигнала (In-
put: —39,6 dBFS) (в данном случае для прямоугольных колебаний
типа меандр частотой 1000 Гц) и амплитуда гармоники (Peak:
—40,1 dB, 999 Hz), полученные щелчком мыши в точке маркиро-
вания (Mark: —40,3 dB, 991 Hz) предполагаемого максимума пер-
вой гармоники спектра, т. е. программа автоматически корректи-
рует неточность маркирования.
В меню File выбираются источник входного (рассмотренный
выше генератор), а также команда выхода из программы. В меню
Edit/Calibration выбирается максимальный уровень входного сиг-
нала в децибелах (для логарифмической шкалы) или в RMS значе-
ниях напряжения (для линейной шкалы), соответствующих мак-
симальному числу уровней квантования (в данном случае 32768
или 0 dBFS).
Рис. 1.13. Спектроанализатор
23
1. Инструментальные средства на базе аудио карты IBM PC
1.4. Программа Oscilloscope 2.51
Программа (архив oscil_l.zip, 90,5 Кбайт) запускается файлом
winscope.exe (94208 байт). Выбор режимов работы прибора осуще-
ствляется в главном окне программы (рис. 1.14) следующими
кнопками:
— пуск (On Line) и останова (Hold) прибора с запо-
минанием результата.
выбор режима работы прибора: одноканаль-
ный (YT single track) (только левый канал), двухканальный (YT
dual track) и режим плоттера (XY mode) соответственно; для спек-
троанализатора можно использовать только одноканальный ре-
жим.
выбор скорости развертки: 5 или 0,5 мс/дел;
плавное изменение развертки производится ползунковым регуля-
тором Т (см. рис. 1.14).
включение/выключение (средняя кнопка)
ждущей развертки (Trigger off) с запуском от переднего (Trigger le-
vel positive) или заднего (Trigger level negtive) фронта; уровень сиг-
нала запуска устанавливается ползунковым регулятором Trg и в
численном виде индицируется в окне TrgLev (см. рис. 1.14).
— включение/выключение режимов спектроанали-
затора (FFT) (см. рис. 1.15) и коррелометра (Correlometer), резуль-
тат работы которого выводится в виде уровня сигналов в обеих ка-
налах и радиуса корреляции R в правом верхнем углу дисплея (см.
рис. 1.14 и 1.15).
— включение/выключение режимов измерителя ко-
ординат точек осциллограмм (Meter mode) и фазометра (Phase ad-
justment) (или корректор фазы). В первом случае курсор принима-
ет форму перекрестия, что упрощает процесс выбора контролируе-
мой точки (можно использовать и стандартную форму курсора,
т. е. без включения рассматриваемого режима). Результаты изме-
24
1.4. Программа Oscilloscope 2.51
Рис. 1.14. Режим двухканального осциллографа
рений индицируются в нижней строке (координаты по оси време-
ни Т, уровни сигналов Yl, Y2 на рис. 1.14; частота F и интенсив-
ность I на рис. 1.15). Кроме того, на этой строке индицируются
режим работы прибора (HOLD, WAVE — осциллограф, FFT —
спектроанализатор и др.). Второй режим предназначен для спек-
троанализатора, однако его проявление при испытаниях не выяв-
лено. Заметим, что все результаты измерений получены с исполь-
зованием генератора сигналов на рис. 1.11, а и имеют относитель-
ный характер.
кнопки следующего назначения
(перечисление слева направо): сброс графических данных, запом-
ненных в режиме Hold, к виду, полученному в режиме On Line
(Reset controls); включение/выключение режима дополнительного
усиления и смещения осциллограмм, установленного регулятора-
ми Y1 и Y2 (Check (no soft gain after ADC)) (эта и последующие
кнопки — только для режима осциллографа); включение/выклю-
Чение режима запоминания результатов измерения (Storage mode);
включение/выключение режима ожидания поступления данных
(автозахват) (Wait mode (auto-sweep mode)) (время захвата для
Осциллографа индицируется в строке Sweep; для спектроанализа-
тора в этой строке индицируется диапазон анализируемых частот);
25
1. Инструментальные средства на базе аудио карты IBM PC
установка одинакового усиления для обоих каналов (Same gain for
Yl and Y2) (численные значения индицируются в строках Gain).
Смещение осциллограмм по оси времени производится ползун-
ковыми регуляторами Delay; их значения (и разность) индициру-
ются в одноименных строках окна.
Рис. 1.15. Спектр пр яму вольных колебаний типа меандр
Перейдем к рассмотрению системы меню.
Меню File содержит команды:
Save data — сохранение данных измерения в DAT-формате, на-
стройки которого рассмотрены в меню Setup/Data (см. ниже);
Exit — выход из программы.
Меню Edit содержит единственную команду Copy data — копи-
рование текущих данных измерения в буфер обмена без остановки
работы прибора (в режиме On Line).
Меню Setup содержит команды:
Line plot — отображение графиков в виде сплошных линий или
Scatter plot — в виде точек.
Data file — выбор структуры файла с параметрами в окне на
рис. 1.16:
Waveform — в режиме осциллографа: выбор шкалы времени
(Time scale) в виде количества выборок (Samples) или в миллисекун-
26
1.4. Программа Oscilloscope 2.51
дах (ms), а также длины (Length) данных в пределах зарегистриро-
ванных на дисплее (Display) или за все время измерения (All data).
Spectrum — в режиме спектроанализатора: выбор частоты (Fre-
quency) в виде частоты следования выборок (Samples) или в герцах
(Hz); выбор данных (Data) в виде амплитуды (Amplitude), комп-
лекса (Re-Im) или амплитуда/фаза (Amp-Phase) с учетом или без
учета постоянной составляющей (Omit DC level).
Data file options
-Spectrum----
Frequency—
Samples
V Г Hz^- ' •
- Data------;—~
<♦ Amplitude-
'~'C, Re4m
Г Amp-Phase.
$7 Omit DC level
“ Waveform ‘™
r- Time scale—
Samples:
C mi;- W?
pLenglh-TTt
<♦“ Display ''
. > %
Г*: All data Z'
Рис. 1.16. Окно параметров файла
Timing — выбор частоты дискретизации (11025, 22050 или
44100 Гц), выбор времени обновления изображения данных (Ref-
resh) с возможностью запрещения вывода сообщения (Disable war-
ning) типа TIMEOUT, определяющего недостаток времени для
максимально правдоподобного цифрового представления ориги-
нального сигнала.
Colors — выбор из стандартной палитры Windows цвета осцил-
лограмм левого (Y1 trace) и правого (Y2 trace) каналов, калибро-
вочной сетки (Graticule), уровней (Level) сигналов в каналах и
данных по их корреляции (Positive correlation, Negative correlation).
Save setup — сохранение установок в файле winscope.ini.
Из сравнения осциллограмм синусоидального сигнала с одного и
того же генератора на рис. 1.12, би 1.14 видно, что в программе Ana-
lyser осциллограф обладает заметно лучшими характеристиками.
Еще более заметная разница наблюдается из сравнения осциллог-
рамм спектров на рис. 1.13 и 1.15 для меандра, для которого расчет-
ные (см. формулу (1.2)) значения амплитуд гармоник подчиняются
соотношениям: Uim: U3m: U5m: U7m... = 1: 1/3 :1/5 :1/7.... Эти соот-
ношения подтверждаются и путем моделирования в среде Electro-
nics Workbench [2], результаты которого показаны на рис. 1.17, а
(схема модели и настройки функционального генератора для меанд-
27
1. Инструментальные средства на базе аудио карты IBM PC
pa), 1.17, в (линейчатый спектр меандра) и l.l7, ^(таблицачисловых
значений параметров спектра в точках установки визирных линеек
(для 3-ей и 7-ой гармоник в данном случае)). Устанавливая эти ли-
нейки на частоты 1-ой и 5-ой гармоник и измеряя таким образом
значения их амплитуд, получим U|m: U3m: U5m:U7m= 1 : 0,425/1,266
: 0,258/1,266: 0,188/1,266 = 1 : 1/2,98: 1/4,9: 1/6,73, т. е. полученные
соотношения достаточно близки к расчетным.
Теперь вернемся к спектрам на рис. 1.13 и 1.15. Результаты из-
мерения амплитуд гармоник в децибелах спектра на рис. 1.13:
Х1
У1
У2
;dx
dy
:l/dx
1/dy
min x
'max x
min у
max у
3.0000K
424.7129m
7.0000K
188.0846m
4.0000K
-236.6282m
250.0000U
-4.2260
0.0000-
9.0000K
0.0000;
1.2 655-
а)
6)
в)
Рис. 1.17. Результаты моделирования спектра меандра
28
1.5. Программа SpectraLab
|_ая __ —40,1, 3-я — —49, 5-ая — —54,6, 7-ая — —57,8 дБ. Интере-
сующие нас соотношения в единицах напряжения получим путем
вычисления разностей в децибелах между первой и каждой после-
дующей гармониками (8,9, 14,5 и 17,7 дБ) и использованием изве-
стной формулы 201og(U]m/Unm). В результате таких вычислений
получаем: Ulm : U3m : U5m : U7m = I : 1/2,79 : 1/5,3 : 1/7,67, т. e. и в
этом случае наблюдаются достаточно правдоподобные соотноше-
ния, Совершенно другие результаты следуют из рассмотрения
спектра на рис. 1.15: так 5-ая гармоника почему-то меньше 7-ой и
непропорционально меньше 3-ей.
Проведенный сравнительный анализ позволяет сделать вывод о
преимуществах пакета программ Analyser перед Oscilloscope.
1.5. Программа SpectraLab
SpectraLAB является двуканальным спектроанализатором, про-
граммно совместимым со стандартной аудио картой, поддержива-
емой Windows. Программа обеспечивает проведение спектрально-
го анализа как в реальном масштабе времени, так и предваритель-
но записанных сигналов. Используемый в программе алгоритм
БПФ позволяет обрабатывать записи длиной до 65536 отсчетов.
На сайте CityRadio.ru представлены две версии программы:
41*32.13 (архив spectro.zip, 1484 Кбайт) и 4.32.16 (архив
spectr_lab.zip, 3829 Кбайт). Заметим, что по объему версия 4.32.16
в инсталлированном варианте практически не отличается от
•4)32.13 (около 3 Мбайт); архив spectr_lab.zip «раздут» за счет раз-
мещения в нем дополнительной копии дистрибутива и др.
Программа инсталлируется обычным для Windows систем спо-
собом — после запуска единственного файла setupspc.exe. Главное
Шно программы (рис. 1.18) содержит систему меню, кнопки пуска
$tun) и останова (Stop) процесса анализа, строку Avg выбора сте-
Йени сглаживания (усреднения) кривых по числу выборок, опцию
Peak Hold привязки курсора к их пиковым значениям при контро-
Mfe й рабочее поле с результатами измерения.
1.5.1. Режимы измерения и отображения результатов
В программе реализуются следующие режимы измерения (вы-
бираются в меню Mode):
29
7. инструментальные среоства на оазе ауоио карты ibivi ни
Recorder — запись и воспроизведение звука; режим аналогичен
стандартным средствам Windows для этих целей, однако с возмож-
ностью изменения параметров записи, форматов и т. п.
Post Process — постобработка предварительно подготовленных
WAV- файлов (стационарный режим).
Real Time — измерения в режиме реального времени (получе-
ние данных с аудио карты и их отображение).
В последних двух режимах, представляющих для нас наиболь-
ший интерес, реализуются и отображаются следующие виды изме-
рений (выбираются в меню View):
1. Time Series — осциллографические (отображение формы сиг-
налов и определение их амплитудно-временных характеристик)
(рис. 1.18). Режимы работы осциллографа выбираются в строке на
инструментальной линейке окна из списка:
— одноканальный (Left Channel — только левый; Right Chan-
nel — только правый);
— двухканальный (Both Left & Right);
— режим вычитания (Left minus Right — правый из левого;
Right minus Left — наоборот);
— режим суммирования сигналов левого и правого каналов
(Left plus Right);
— режим плоттера (Left vs Right (X/Y) — развертка сигналов
левого канала сигналами правого; Right vs Left (Y/X) — нао-
борот).
Процесс измерения запускается кнопкой Run и останавливает-
ся кнопкой Stop. Параметры осциллограмм определяются с помо-
щью курсора путем его установки в контролируемую точку и на-
жатия левой кнопки мыши; если при этом нажать еще и правую
кнопку, то отображаемые данные фиксируются на дисплее с выво-
дом на экран команды Copy Measurement Cursor to Clipboard, по-
сле выбора которой левым щелчком мыши полученные данные
копируются в буфер обмена. Параметры сигналов измеряются с
помощью показанных на рис. 1.18 приборов, вызываемых из меню
Utilities (см. ниже). Управление изображениями осциллограмм
производится следующими командами:
— кнопка вызова инструмента для выделения участка
осциллограммы, который в этом случае представляется в инверти-
30
1.5. Программа SpectraLab
рованном виде и может затем копироваться, редактироваться,
вставляться, фильтроваться и т. п. (см. ниже).
— кнопка звуковоспроизведения выделенного предыду-
щим инструментом сегмента осциллограммы.
Рис. 1.18. Окно программы в режиме осциллографа
Plot Тор — строка выбора усиления по вертикали.
— вызов инструмента для выделения участка осциллог-
раммы с целью изменения его масштаба (увеличения) по горизон-
тали (по оси времени).
— изменение масштаба изображения по горизон-
тали в 2 раза при каждом нажатии (увеличение и уменьшение со-
ответственно).
31
1. Инструментальные средства на базе аудио карты IBM PC
г г
— возврат масштаба изображения по горизонтали к ис-
ходному состоянию.
и
Ssl — автомасштабирование изображения по вертикали.
BII — кнопка вызова окна (рис. 1.19) для выбора типа и па-
раметров цифрового фильтра для фильтрации выделенного сег-
мента осциллограммы или спектрограммы; дублируется командой
Edit/Filter (активна только при наличии выделенного сегмента); в
этом окне:
Filter Туре — выбор типа фильтра: низкочастотного (Low Pass),
высокочастотного (High Pass), полосового (Band Pass) или режек-
торного (Notch) с установкой центральной частоты (Center Freq),
частоты среза (Cutoff Freq) и полосы пропускания (Width). В окне
выбирается также канал, в который включается фильтр, и крутиз-
на амплитудно-частотной характеристики режекторного фильтра:
пологая (Gentle), средняя (Moderate) или крутая (Steep).
Рис. 1.19. Окно выбора филыпра и его параметров
Q — кнопка вызова окна настроек дисплея осциллографа
(команда Options/Time Series) (рис. 1.20), в котором:
32
1.5. Программа SpectraLab
Plot Options — выбор величины, отображаемой по вертикали:
амплитуды (Amplitude) сигнала или мощности (Energy) (0 дБ соот-
ветствует 100% полной шкалы (FS — Full Scale) преобразования;
коэффициента усиления по вертикали по амплитуде или мощно-
сти (Plot Тор/Range); выбор режима работы осциллографа (см.
выше).
Colors — выбор цвета линии для осциллограммы (Line), цвета
фона (Background) и калибровочной сетки (Grid) с опциональной
возможностью ее отключения.
Time Span — выбор времени начала и конца измерения, а так-
же максимального времени (Maximum Zoom Out Time) при анали-
зе WAV-файлов большой длины (при превышении выбранного
значения в нижней статусной строке выводится сообщение Zoom
Out Time).
Time Series Display Options .bi
r Plot Options--™ •™---------}
Amplitude (linear ’
• •Г* fnergy (logarithmic) 1:
j-; ^PfoLTopzJ 1.000 -fj | ,
Д|И11
< •'Plot Range: [
' ; j Both Lett R ight
•} г Colors------;—=~r-----------
; -1 и
Background... | |
Grid... |
j P Display Grid Lines
|- Qk |
Cancel |
Defaults |
Help |
Time Span™™-----:------;---;-------------
Start (Sec) [22Э17 ‘Stop(Seo] |329бо
pVp >4^'": i - ;
Г? >\ M акЬит Zoom Out (seconds) JTo
Рис. 1.20. Окно настроек осциллографа
ГО
После выбора участка осциллограммы инструментом |L=J
правым щелчком мыши в поле дисплея вызываются следующие
команды:
Cut — вырезание и копирование в буфер обмена выделенного
Участка осциллограмм в WAV-формате (здесь и далее — для одно-
го или двух каналов в зависимости от текущего режима).
Copy As Wave — то же, но без вырезания.
Copy as Bitmap — копирование в буфер обмена изображения
окна осциллографа в BMP-формате (но без «шапки»).
33
1. Инструментальные средства на базе аудио карты IBM PC
Copy As Text — копирование в буфер обмена численных данных
выделенного участка в виде таблицы и — fit).
Mute — формирование паузы (вырезание выделенного участка
осциллограмм до нулевого уровня по амплитуде).
Filter — фильтрация выделенного участка осциллограмм; вызы-
вается окно на рис. 1.19 для выбора фильтра и его параметров.
Play — проигрывание выделенного участка.
Compute and Display Average Spectrum — расчет и отображение
выделенного участка осциллограмм в виде усредненного спектра
(с параметром infinite в линейном режиме) для 50-процентной
шкалы преобразования.
Compute and Display Spectrogram — расчет и отображение выде-
ленного участка в виде спектрограммы при текущих значениях
размера FFT и режиме усреднения.
Compute and Display 3-D Surface — то же, но в виде трехмерной
спектрограммы.
Compute Equivalent Noise Level (Leq) — расчет и цифровое пред-
ставление в децибелах в окне-ярлыке эквивалентного уровня шу-
мов за время 1 час для выделенного участка.
Perform DTMF Analysis — расчет и цифровое представление в
окне-ярлыке декодированных данных для выделенного участка
осциллограмм DTMF-сигнала.
Compute RMS Level Analysis — расчет и цифровое представле-
ние в окне-ярлыке значения уровня для выделенного участка
осциллограмм в RMS единицах и процентах от полной шкалы.
Compute Crest Factor — то же, но для коэффициента формы
(формфактора).
Compute Envelope Using Hilbert Transform — расчет и отображе-
ние огибающей выделенного участка осциллограмм с использова-
нием преобразования Гильберта; возврат к исходному состоя-
нию — кнопкой
Compute Schroeder Integration — интегральное преобразование
выделенного участка с применением метода Шредера (М. R.
@ит|
Schroeder); возврат к исходному состоянию — кнопкой ЬЬЫ
View Data Values — отображение численных данных выделенно-
го участка осциллограмм в виде таблицы и = fit).
Properties — вызов окна настроек (рис. 1.20).
34
1.5. Программа SpectraLab
2. Spectrum — измерение и отображение спектра сигналов
(рис. 1.21). Управление изображением спектров производится эле-
ментами, аналогичными осциллографу (рис. 1.18), за исключени-
ем кнопок
, управляющих изображением спектра в
виде линии или гистограммы, а также назначением кнопки
которая в данном случае используется для вызова окна настроек
дисплея спектроанализатора (команда Options/Spectrum), которое
отличается от показанного на рис. 1.20, в основном, выбором цве-
та рамки маркера (Markers). В окне параметров маркера, вызывае-
мой командой Options/Markers, задается их количество (до шести),
задаваемая частотой (по оси частот) координата размещения и
отображаемая в нем величина (частота, амплитуда, частота/ампли-
туда или задаваемая пользователем, например, в виде метки).
В качестве примера на рис. 1.21 показан маркер, показывающий
свою собственную частоту размещения.
Оформленные в окне маркеры могут быть установлены с помо-
щью команды Set Marker # контекстного меню, вызываемого пра-
вым щелчком мыши по дисплею спектроанализатора. Заметим,
что в этом меню содержатся практически все рассмотренные
иецв
. . Left Channel
"-АЗО
.40
-50
-60
Os*
j= -20
Overlays .
-f750 00 Hz]
' 'RightChannel >
jjF? Square ".
Jj I? White '
Ц]Г. ••
Options... | ,
ЙО'<ЗОО^Ч'5ОО'-700>4.0k^, . . ..... . .
- г Frequency (Hz) , .
Рис. 1.21. Окно спектроанализатора
! ___________j.jj___________'XlP Square .-.
I ! I________Щ,_____________'2JI*1 Pul«e-'> ' •
i li I II , UP White
<42.0k 3.0k - -. 5.0k 7.0k10.0k ,p'20.0k '
"|750 00 Hz|
35
1. Инструментальные средства на базе аудио карты IBM PC
команды управления изображением спектров и осциллограмм.
Это относится и к другим видам измерений из меню View, рас-
сматриваемых ниже.
В контекстном меню, вызываемом правым щелчком мыши в
поле дисплея окна на рис. 1.21, содержатся следующие команды:
Copy as Text, Copy as Bitmap — аналогичные п. I (рис. 1.18).
Inverse FFT — обратное FFT преобразование с отображением
исходного сигнала на экране осциллографа.
Clear Spectrum — стирание текущего спектра с сохранением
спектров, зафиксированных в оверлейных файлах (см. ниже).
Autoscale Display — автомасштабирование спектра по уровню
(интенсивности I).
Bandwidth and Q Factor — расчет и цифровое представление в
окне-ярлыке ширины спектра первой гармоники на уровне поло-
винной мощности и его добротность, определяемая по уровню
0,707 = —3 дБ (по аналогии с резонансной кривой колебательного
контура).
Set Marker #1... Set Marker #6 — установка маркеров (до шести
штук) в отмеченных точках спектра.
Clear All Markers — стирание всех маркеров.
View Data Values — отображение численных данных выделенно-
го участка осциллограмм в виде таблицы I = F(f).
Properties — вызов окна настроек спектроанализатора (дублер
Проведем анализ спектра меандра Square на рис. 1.21, анало-
гичный представленному в предыдущем разделе (рис. 1.13). Резу-
льтаты измерения амплитуд гармоник этого спектра: 1-ая —
—29,46 дБ, 3-я — —38,98, 5-ая — —43,18, 7-ая — —46,38 дБ, откуда
следует, что разности между первой и каждой последующей гар-
мониками составляют 9,52, 13,72 и 16,92 дБ, что соответствует со-
отношениям Ulm : U3m : U5m : U7m = 1 : /2,99 : 1/4,85 : 1/7,01, до-
статочно близким к расчетным (см. формулу (1.2)).
Рассмотрим порядок использования оверлейного режима для
сравнительного анализа спектров, например, меандра (Square),
последовательности коротких импульсов (Pulse) и белого шума
(White), используя генератор программы или генератор из разд.
1.3:
36
1.5. Программа SpectraLab
I. В режиме Real Time снимаем спектр для Square.
2. Кнопкой Options (см. рис. 1.21) последовательно для левого
и правого каналов вызываем окно на рис. 1.22 и в первой строке
колонки Legend вводим название сигнала (Square) и при необхо-
димости кнопкой Charge выбираем из палитры желательный цвет
линии кривой спектра.
3. Кнопкой Save сохраняем введенные данные под стандартным
названием оверлейного файла LI (для левого канала и сигнала
Square) и Rl (для правого и Square), каждый раз соглашаясь на пе-
резапись файла. Поскольку названия указанных файлов (LI—L4,
rj__R4) для всех режимов одинаковы, то их наполнение для ре-
жима по умолчанию целесообразно сохранить в отдельной папке,
например, под названием LRSTD.
4. В меню Mode переходим в режим Post Proces, в результате
чего вызывается окно-ярлык с предложением сохранить спектр в
WAV-формате, что и выполняется в стандартном окне с присвое-
нием имени Square.
5. Возвращаемся в режим Real Time и выполняем пункты I—4
для двух других сигналов, сохраняя оверлейные файлы под имена-
ми L2 и R2 (для Pulse), L3 и R3 (для White) и под их «собственны-
ми» именами — WAV-файлы.
Для одновременного отображения полученных спектров
(рис. 1.21):
1. В режиме Post Process командой File/Open загружаем создан-
ный ранее файл square.wav.
2. Кнопкой Run запускаем загрузку square.wav в окно Spectrum
(рис. 1.21); процесс загрузки индицируется ползунковым индика-
тором, который в режиме Post Process появляется на инструмента-
льной линейке справа от опции Peak Hold на рис. 1.18.
3. В столбике Set окна Spectrum (рис. 1.21) для обоих каналов
нажимаем кнопку 1, в результате чего на дисплее окна фиксирует-
ся Изображение спектра Square, которое временно может быть вы-
ключено опцией справа от кнопки 1.
4. Повторяем операции 1—3 для pulse.wav и white.wav, последо-
вательно нажимая кнопки 2 и 3 в п. 3, в результате чего получаем
фиксированное изображение спектров на рис. 1.21, которое может
быть использовано для их сравнительного анализа, а также срав-
нения с вновь получаемыми в режиме Real Time.
37
1. Инструментальные средства на базе аудио карты IBM PC
Рис. 1.22. Окно оформления оверлейного файла
3. Spectrogram — спектрограмма (рис. 1.23): графическое пред-
ставление изменения спектра во времени, определяемое форму-
лой:
F(®,/) =
l-T
Для вычисления спектрограммы спектр сигнала разбивают на
сегменты (возможно, с перекрытием). Для каждого сегмента вы-
числяется его спектр в виде коэффициентов ДПФ. Набор спек-
тров и образует спектрограмму. Разрешающая способность по час-
тоте такого спектрального анализа определяется величиной А/ =
1/75, а разрешающая способность по времени — величиной А/ =
Т$ = T/s (s — количество сегментов), если сегменты анализируе-
мого процесса не перекрываются. Если же они перекрываются, то
разрешение по времени может достигать значений А/ = T$/Ns, где
Ns — число отсчетов в сегменте, подвергаемом преобразованию
Фурье (число Ns обычно обозначают без индекса и называют пара-
метром БПФ, кратным двойке). На практике степень перекрытия
сегментов выбирают из здравого смысла, поскольку при чересчур
большом его значении объем вычислений может стать неприемле-
мо высоким. Заметим, что термин «спектрограмма» применяют
как к комплексной функции частоты и времени, так и к ее моду-
лю (набору амплитудных спектров).
Настройки для рассматриваемого режима вызываются кнопкой
fcj или командой Options/Spectrogram. В окне установок выби-
раются:
38
1.5. Программа SpectraLab
— диапазон анализируемых частот (Frequency Span);
— динамический диапазон (Plot Top/Range);
— направление (Direction) движения спектра во времени: сле-
ва, справа, сверху, снизу (с соответствующим изменением
направления координатных осей времени, частоты и интен-
сивности, которая может регулироваться кнопочным слайде-
ром Intensity);
— изменение цветовой палитры (Palette) в зависимости от ин-
тенсивности линий спектра с выбором цветов для максима-
льного и минимального значений, включая черно/белый ва-
риант (Grayscale);
— интервал обновления данных (Display Update Interval).
Рис. 1.23. Спектрограмма меандра
В контекстном меню для рассматриваемого режима назначение
команд аналогично п. 1 и 2 за исключением:
Display Time Series — преобразование спектрограммы в исход-
ный сигнал, отображаемый на экране осциллографа.
Expand Spectrogram — расширение (растяжка) спектрограммы
на временном участке, выбранном инструментом
Compute and Display 3-D Surface — преобразование трехмерной
«плоской» спектрограммы в объемную, отображаемую в ее окне
(рис. 1.24).
4. 3-D Surface -- графическое трехмерно-объемное (3D) пред-
ставление изменения спектра во времени (рис. 1.24). Набор пара-
метров в окне настроек, вызываемом кнопкой
или коман-
дой Options/3-D Surface, аналогичен предыдущему режиму.
39
1. Инструментальные средства на базе аудио карты IBM PC
Показанная на рис. 1.24 спектрограмма файла voice.wav из пап-
ки WAV-программы получена после загрузки специального кон-
фигурационного файла voice.cfg из папки CONFIG командой Соп-
fig/Load Configuration. Файл конфигурации представляет собой
текстовый файл в ASCII-формате (типа WIN.INI, SYSTEM.INI
и т. п.), с содержанием которого можно ознакомиться, вызвав его
командой Config/View Configuration. Заметим, что перед вызовом
voice.cfg текущую конфигурацию целесообразно сохранить коман-
дой Config/Save Configuration под удобным для пользователя име-
нем, иначе без дополнительных настроек к ней возврата не будет.
Riot Тор: |о.О |т|.. Plot Range: |40.0 . { jntensitjr^
Рис. 1.24. 3D спектрограмма музыкального фрагмента
В контекстном меню для рассматриваемого режима назначение
команд аналогично п. 1 и 2 за исключением:
Expand 3-D Surface — расширение (растяжка) спектрограммы
на выбранном временном участке.
Compute and Display Spectrogram — преобразование 3D спек-
трограммы в трехмерную «плоскую», отображаемую в ее окне
(рис. 1.23).
5. Phase — измерение и отображение фазо-частотной характе-
ристики сигнала. Набор параметров в окне настроек, вызываемом
или командой Options/Phase, отличается от ранее
кнопкой
рассмотренных выбором диапазона контролируемых фазовых уг-
лов. Назначение команд контекстного меню для рассматриваемого
режима аналогично рассмотренным выше.
40
1.5. Программа SpectraLab
1.5.2. Измерительные приборы
Для проведения измерений и отображения их результатов в
цифровой форме в программе используются следующие приборы
(выбираются в меню Utilities):
1. Signal Generator — генератор измерительных сигналов (см.
рис. 1.18):
— шумовых: белого (White Noise), розового (Pink Noise) и пре-
рывистого (Noise Burst) шума; для последнего после нажатия
кнопки Details выбираются: тип шумового сигнала (White
Noise или Pink Noise), время активного действия (Burst Ti-
me) и период повторения (Cicle Time), а после нажатия
кнопки Level: уровень выходного сигнала в вольтах, милли-
вольтах действующего значения (RMS) или децибелах и про-
центах (dBFS, %FS, dBV и др.) в зависимости от используе-
мого типа аудио карты, выбираемого из предлагаемого спис-
ка; в частности, в этом списке упоминается аудио карта DAL
CardD профессионального класса компании Digital Audio
Labs, отличающаяся открытым входом и, следовательно,
возможностью измерения постоянного тока;
— синусоидальных: с фиксированной частотой 1 кГц (1 kHz
Топе) и возможностью задания уровня; с дискретно (через
100 Гц) задаваемой частотой и уровнем (Multiple Tones);
прерывистых с задаваемыми частотой и параметрами преры-
вания (Burst Time и Cicle Time) (Tone Burst); два стандарт-
ных набора из суммы из двух сигналов (250 и 8020, 60 и
7000 Гц) для измерения интермодуляционных искажений
(InterModulation Distortion) с отношением уровней НЧ/ВЧ =
4/1, а также задаваемых пользователем в режиме Custom
(IMD Test Tones); с изменяемой частотой (Frequency Sweep)
и выбором закона свипирования (линейный или логарифми-
ческий), стартовой и конечной частоты и времени свипиро-
вания; с изменяемым уровнем (Level Sweep) и выбором стар-
тового и конечного уровня и времени свипирования;
— импульсных: пилообразного (Sawtooth) с задаваемыми час-
тотой и полярностью; треугольного (Triangular) и прямоуго-
льного (Square) с задаваемыми частотой и коэффициентом
заполнения для Square; импульсной последовательности
(Pulse) с заданием ширины импульса и паузы;
41
1. Инструментальные средства на базе аудио карты IBM PC
— DTMF (Dual Tone Multi Frequency coding) — двухтоновых
кодированных сигналов (доступен только в версии 4.32.16) с
выбором задающей кодовой строки (DTMF key String, по
умолчанию: l234567890*#ABCD), интервалов кодовых посы-
лок (Interpulse Spacing), ширины импульса с заданным уров-
нем сглаживания фронтов (Twist) и опцией восстановления
исходной кодовой строки (Repeat Key String Continuously)
перед формированием очередной посылки; используется
также в телефонии;
— определяемых пользователем (User Defined) в виде
WAV-файла.
Кнопки Run и Stop на панели генератора служат для автоном-
ного включения/выключения; при использовании генератора в
программе это выполняется автоматически соответствующим при-
ложением.
Заметим, что в рассматриваемой программе могут быть исполь-
зованы и другие генераторы сигналов, в частности, из программы
Analyser, который показал даже несколько лучшие результаты по
THD (0,236% для левого канала и 0,202% для правого), THD+N
(1,92 и 1,73%), IMD (1,328 и 1,128%) при Peak Freq 990,53 Гц,
Peak Amp (-37,85 и -37,34 дБ) и Total Pwr (-37,86 и -37,35 дБ)
(сравните с показаниями приборов на рис. 1.18 для «родного» ге-
нератора).
2. Peak Freq (uency) — измеритель частоты сигнала левого/пра-
вого каналов в режиме осциллографа и первой гармоники в режи-
ме спектроанализатора (см. рис. 1.18).
3. Peak Amp (litude) — измеритель амплитуды сигнала лево-
го/правого каналов (амплитуды первой гармоники в режиме спек-
троанализатора).
4. Total Pwr (Power) — измеритель RMS (действующего или
среднеквадратического значения) мощности сигнала левого/пра-
вого каналов (RMS мощности первой гармоники в режиме спек-
троанализатора).
5. THD (Total Harmonic Distortion) — измеритель нелинейных
искажений, определяющий в процентах отношение RMS мощно-
сти гармонических составляющих спектра к RMS мощности пер-
вой гармоники.
6. (THD+N) (Total Harmonic Distortion + Noise) — измеритель
нелинейных искажений, определяющий в процентах отношение
42
1.5. Программа SpectraLab
RMS мощности гармонических и шумовых составляющих спектра
к RMS мощности первой гармоники.
7. IMD (InterModulation Distortion) — измеритель интермодуля-
ционных искажений, возникающих при воздействии на устройст-
во двух синусоидальных сигналов звуковой частоты: одного повы-
шенной частоты (обычно 8020 Гц) и другого более низкой частоты
(обычно 250 Гц), но с повышенным на 12 дБ (в 4 раза) уровнем;
IMD определяется в процентах отношением RMS мощности гар-
монических составляющих к RMS мощности низкочастотной со-
ставляющей композитного сигнала.
8. SNR (Signal to Noise Ratio) — измеритель отношения сиг-
нал/шум, определяющий в децибелах отношение мощности полез-
ного сигнала к мощности шума.
9. SINAD (Signal to Noise and Distortion) — измеритель отноше-
ния (сигнал+шум)/шум, определяющий в децибелах отношение
мощности полезного сигнала с шумом к мощности шума (досту-
пен только в версии 4.32.16).
10. NF (Noise Figure) — измеритель отношения сигнал/шум,
определяющий в децибелах отношение мощности полезного сиг-
нала к мощности шума на входе и выходе устройства (доступен
только в версии 4.32.16). Как видно из рис. 1.18, показания изме-
рителя NF равны разности показаний измерителя SNR для левого
и правого каналов на частоте 1000 Гц тестового сигнала.
11. Delay Finder — измерение задержки между левым и правым
каналами в миллисекундах (Milliseconds), футах (Feet) или метрах
(Meters) (см. рис. 1.25, б), которая после нажатия кнопки Apply to
Processing Delay (см. рис. 1.25, о) будет учтена в дальнейшем; она
также может быть внесена в окно команды Settings меню Options
(см. рис. 1.27). При этом необходимо учитывать, что положитель-
ное значение измеренной задержки означает, что левый канал от-
стает от правого, а при отрицательном — наоборот.
К дополнительным установкам Delay Finder относятся:
Speed of Sound — скорость звука; типичное значение —
ИЗО фут/с — принято в программе по умолчанию, однако оно за-
висит давления и температуры воздуха, что необходимо учитывать
при использовании аудио карты в высококачественных системах.
Скорость звука для конкретного случая может быть измерена с
помощью микрофона. Для этого измеряют время задержки Т1 (мс)
в одном положении микрофона, затем перемещают его на 1 фут
43
1. Инструментальные средства на базе аудио карты IBM PC
jM Delap Fintfef
-0 045 msec
Options.,Apptyto Processing Delay-» || 0 317 msec j
a)
6)
Рис. 1.25. Измеритель задержки
(0,305 м) и измеряют время задержки Т2 (мс); скорость звука
определится как 1000/(Т2 — Т1), фут/с.
Maximum Delay — максимальное значение задержки, обрабаты-
ваемое программой; увеличение этого параметра приведет к уве-
личению времени обработки.
Напомним, что определение параметров сигналов и спектров
по их осциллограммам производится с помощью курсора путем
его установки в контролируемую точку и нажатия левой кнопки
мыши; если при этом нажать еще и правую кнопку, то отображае-
мые данные фиксируются и на экран выводится команда Сору
Measurement Cursor to Clipboard, после выбора которой левым
щелчком мыши полученные данные копируются в буфер обмена.
12. Data Logging — операция создания текстового логфайла с
выходными данными текущей сессии использования программы;
в окне настроек (рис. 1.26): Output Data Type — выбор из списка
типа регистрируемых данных в рабочем диапазоне частот: пико-
вые значение частоты (Peak Frequency) и амплитуды (Peak Ampli-
tude) или сразу обоих (Peak Frequency & Amplitude); уровень RMS
мощности (Total Power) и спектральные характеристики (Spectrum
Values); показания приборов THD, THD+N, IMD, SNR.
Output Threshold — пороговые значения регистрируемых вели-
чин (по умолчанию — —999 дБ).
44
1.5. Программа SpectraLab
Frequency Span — диапазон частот: установленный программой
(Full Span) в строках Start и Stop или пользователем (Custom
Span).
Output Filename — имя логфайла, в котором будут регистриро-
ваться данные. Viewer Program — выбор текстового редактора для
просмотра и редактирования имени логфайла (напомним, что ис-
пользуемый по умолчанию редактор Notepad может работать с
файлами размером до 53 Кбайт).
File Mode — режим работы с логфайлом: с перезаписью (Over-
write) или добавлением новых данных в конец файла (Append).
Для создания логфайла и внесения в него данных в меню Utili-
ties/Data Logging необходимо выбрать команду On, а для просмот-
ра — команду View.
Data tj
mJ Peak Frequency
C Append
notepad.exe
Рис. 1.26. Окно настроек логфайла
1.5.3. Базовые настройки программы
Настройки программы сосредоточены в меню Options; к ним
относятся:
1. Settings — базовые настройки программы в составе (см.
рис. 1.27):
Sampling Rate — выбор частоты дискретизации; определяется
параметрами аудио карты (в нашем случае это 44100 Гц); согласно
теореме Котельникова (или критерию Найквиста), она должна
45
1. Инструментальные средства на базе аудио карты IBM PC
быть минимум в 2 раза ниже частоты преобразуемого сигнала (см.
параметр Frequence Limit).
Decimation Ratio — выбор отношения частоты дискретизации к
преобразуемой; при увеличении параметра улучшается качество
преобразования на низких частотах с одновременным снижением
верхнего предела частоты преобразуемого сигнала; все значения
параметров, кроме I, используются в том случае, когда низкие ча-
стоты дискретизации не поддерживаются аудио картой. Для
WAV-файла рассматриваемый параметр может изменен в окне,
вызываемом командой File/Decimation.
FFT size — параметр, определяющий разрешающую способ-
ность спектроанализатора по частоте (Spectral Line resolution) (рас-
стояние в герцах между 2-мя соседними точками полученного
ДПФ); например, при частоте дискретизации 8192 Гц и FFT size =
1024 точек разрешение по частоте составляет 8192/1024 = 8 Гц.
Sampling Format — параметр, определяемый разрядностью ана-
лого-цифрового преобразователя (АЦП) в каждом канале аудио
карты, т. е. количество бит, приходящихся на одну выборку по
уровню сигнала, полученному при его дискретизации. Чем больше
разрядность АЦП, тем больше диапазон преобразуемых уровней,
определяющий динамический диапазон — отношение максималь-
ного уровня к минимальному. В пределе (теоретически) 8-разряд-
ный (или 8-битный) АЦП обеспечивает кодирование 28 = 256
уровней, т. е. динамический диапазон равен 256/1 = 256 или
201og256 = 48 дБ. Нетрудно подсчитать, что аудио карта с 16- и
24-битным АЦП должна обеспечивать динамический диапазон 96
и 144 дБ соответственно.
Smoothing Windows — выбор из списка метода аппроксимации
(сглаживания) декодированных сигналов (на выходе цифро-анало-
гового преобразователя (ЦАП) аудио карты):
Bartlett — обеспечивает удовлетворительное разрешение по час-
тоте и амплитуде и среднее подавление шумов преобразования;
Blackman — удовлетворительное разрешение по частоте и хоро-
шее по амплитуде и прекрасное подавление шумов преобразова-
ния (рекомендуется при измерении искажений);
Flattop — неудовлетворительное разрешение по частоте и пре-
восходное по амплитуде и среднее подавление шумов преобразо-
вания (рекомендуется при измерении амплитуд);
Hamming — удовлетворительное по всем параметрам;
46
1.5. Программа Spectra Lab
Hanning — удовлетворительное разрешение по частоте и пре-
восходное по двум другим параметрам (рекомендуется при изме-
рении искажений и шумов);
Kaiser — удовлетворительное разрешение по частоте и амплиту-
де и неудовлетворительное подавление шумов преобразования;
Parzen и Triangular — аналогично Kaiser для обоих методов;
Uniform —превосходное разрешение по частоте и неудовлетво-
рительное по двум другим параметрам (рекомендуется при изме-
рении частоты и параметров импульсов).
Averaging Settings — выбор количества усредняемых оценок
спектра (можно менять также из главного окна) с использованием
следующих методов усреднения:
Exponential — экспоненциальный, при котором последние ре-
зультаты измерения вносят больший вклад в среднее значения,
чем предыдущие; выбран по умолчанию по критерию минималь-
ного объема вычислений;
Linear — прямое линейное усреднение (известен также под на-
званием «устойчивое усреднение»);
Vector — векторное усреднение (с учетом фазовых углов) (изве-
стен также под названием «синхронное усреднение»).
Выбор infinite (бесконечность) означает, что процесс усредне-
ния производится непрерывно от пуска до остановки процесса из-
мерения. Заметим, что, кроме значения infinite, в версии 4.32.13
программы значения параметра Avg можно задавать в диапазоне
L..20, а в версии 4.32.16 — 1...1000.
FFT Overlap — выбор в процентах (Percentage) степени пере-
крытия временных сегментов FFT (только в режиме стационарной
обработки, т. е. в режиме Post Process).
Input Signal Overload — выбор опций: включение режима обна-
ружения перегрузки (Enable Overload detection) аудио карты по
входу; при включенной опции сообщение о перегрузке ярко крас-
ного цвета выводится в нижней статусной строке окна на рис. 1.18
(при наличии перегрузки, приводящей к неправильным результа-
там, необходимо уменьшить сигнал на входе или чувствительность
по используемому входу аудио карты; исключение (Exclude overlo-
aded data From Processor) из обработки данных, полученных во
время перегрузки.
Dual Channel Processing Options — выбор двухканального (сте-
рео) режима для следующих случаев его использования:
47
1. Инструментальные средства на базе аудио карты IBM PC
Auto-spectrum — расчет спектра путем его перемножения с
комплексно сопряженным (противоположной фазы);
Cross-spectrum — расчет спектра одного канала путем его пере-
множения со спектром другого;
Transfer Function — определение отношения действительных
(Real) или комплексных (Complex) сигналов двух каналов; исполь-
зуется, в частности, для определения амплитудно-частотных
(АЧХ) и фазо-частотных (ФЧХ) характеристик (см. разд. 1.5.4);
Coherence Function — определение коэффициента корреляции
сигналов двух каналов.
Реализация перечисленных методов анализа осуществляется
путем выбора в окне на рис. 1.27 следующих режимов:
Left Channel Only — анализ и отображение спектра сигналов
только левого канала (в одном окне);
Right Channel Only — то же, но только для правого;
Both Left and Right — анализ и отображение спектра сигналов
обоих каналов (в двух окнах);
Average Left and Right — усредненный спектр сигналов обоих
каналов;
Real Transfer Function — расчет и отображение передаточной
функции (АЧХ) с использованием действительных величин и обо-
их каналов;
И
[Processing Setting*
-Frequency Range and Resolution-----:---
. Sampling Rate (Hz) • 3
Decimation Rat» |i
FFT size (samples) |l 024 3 '
Spectral line Resolution: > 43066 Hz.'
Frequency Limit . . .2^)50.000Hz.
Г Mdndfleftj
** Stereo-'
Cancel
Smoothing Window-
-• - j Hanning
Sampling Format —
j fgbit '--’ < '
[ • •• г24Ьй ...
-Averaging Settings- z .
'', -------------• Exponential,-;
z ’ , ? Linear, ,S
P Peak Hold '' Г Vector^' \ ?
'•FFT Overlap™——'—
(Post Processing Mode аф)' ;
; . Percentage: > p ’ £ -
: Time Resolution: '23.22 (msecslf..
'gefaulU |
rHdpL'l
з ••
|Ooth Left and Right
Dual Channel Spectral Processing Optons (Stereo Mode qn^—:
Delay Channel:' Left-'
"3' , Delay time (msec): [lOO 000
, - z г,, , , *
Input Signal Overload ; .......~ >' --------
. P Enable Overload Detection • i V Exclude Overloaded Data From Processor Л f W
Рис. 1.27. Окно настроек Settings
48
1.5. Программа SpectraLab
Cross Spectrum — расчет и отображение взаимного влияния ка-
налов;
Complex Transfer Function — расчет и отображение комплекс-
ной передаточной функции (АЧХ и ФЧХ) с использованием обоих
каналов;
Coherence Function — определении коэффициента корреляции
сигналов двух каналов (Cross-Spectrum, Coherence Function и
Complex Transfer Function основаны на анализе задержки (фазы)
сигналов в каналах (Channel Delay)).
Channel Delay — выбор максимальной задержки одного канала
относительно другого (левого или правого), фактическое значение
которой может быть измерено с помощью Delay Finder утилиты
(см. выше).
2. Scaling — выбор масштабов для следующих величин (окно на
рис. 1.28):
Amplitude Axis — масштаб амплитуды: линейный (Linear) или
логарифмический (Logarithmic), связанные соотношениями: Line-
ar value = io(i°g vaiue/20); LOg value = 20 • Log(Linear value).
Power Spectral Density — опция использования масштаба Ampli-
tude Axis для спектральной плотности мощности (при полосе
1 Гц).
Frequency Axis — масштаб частоты: при выборе полосы частот
(Narrowband) — линейный или логарифмический, при октавном
(Octave) выборе частоты — только логарифмический.
Standard Frequency Weighting — спектральное взвешивание от-
счетов оценки спектра с выбором масштаба группы А. В или С
стандарта ANSI, учитывающего особую чувствительность челове-
ческого уха в диапазоне 500... 10000 Гц; установка опции Flat озна-
чает отмену применения таких масштабов.
Microphone Compensation — включение (Enable compensation) и
выбор (Select) параметров для компенсации погрешностей измере-
ний, связанных с неравномерностью АЧХ микрофона, путем за-
грузки текстового (в стандарте ASCII) файла коррекции АЧХ мик-
рофона для каждого канала; в папке MICCOM приведены такие
файлы для четырех типов микрофонов.
3. Triggering — ждущий режим работы, при котором вывод ре-
зультатов FFT-анализа производится при условиях, определяемых
следующими настройками в окне на рис. 1.29:
49
1. Инструментальные средства на базе аудио карты IBM PC
и
Seating Control
; Ampitude Axis-
- -c Г* Lineal
Logarithmic
Г Power Spectral density
r Frequency Axis • ' "t
‘ ! Narrowband: • Octave:
j' 'Г Linear ’ 7? C 1/1 ‘ 1/9 ’ :
J . Logarithmic'c 1/3 z, Г 1/12, \
i - d/e> <^1/24J
^Star^ard Frequency WeigMng™-—:—^^—r—
л i ® 5л /мС £4, A
Puc. 1.28. Окно настроек Scaling
Trigger Type — вид запуска: по уровню (Level) или фронтам им-
пульсов (Edge).
Threshold — чувствительность запуска по уровню (в процентах
от полной шкалы преобразования).
Trigger Slope — вид запуска по фронту: по переднему (Posistive)
или по заднему (Negative).
Trigger Control — управление ждущим режимом: без перезапу-
ска (Enable Trigger) или с перезапуском (Re-Arm after triggering).
Delay — выбор вида и значения задержки: с перемещением
спектра вправо (Pre-delay) или влево (Post-delay).
Trigger Channel — использование для запуска сигналов правого
или левого каналов.
Тrigger Setup
'z\; 2s,' A * S
.7-^-y1.
Г HesA®
Threshold (percent fiJ-scafe];';
' ..у-*-\ 1
, < > ~Л,>
Delay (miisecondsJ-^TTr^
-T' Pqst jrigger
л-.'" .
' | 0 000
Hefaulte I
J}' 77 ' ' J
Рис. 1.29. Окно настроек Triggering
50
1.5. Программа SpectraLab
При внешнем запуске один из каналов используется для дан-
ных, а другой — для формирования сигнала запуска.
4. Calibration — калибровка анализатора. По умолчанию она
выполняется по уровню сигнала, соответствующему максималь-
ной шкале преобразования (8-, 16- или 24-битной), и этот уро-
вень принимается за 0 дБ. Кроме этого, в программе предусмот-
рена калибровка с использованием внешних источников соответ-
ствующего класса точности. Если аудио карта имеет открытый
вход, то задача выбора такого источника упрощается, поскольку
имеется достаточно большой набор эталонных источников посто-
янного тока, начиная с нормального элемента и кончая прецизи-
онными стабилизаторами напряжения. При использовании источ-
ников переменного тока (например, генератора звуковых частот)
он может быть предварительно аттестован (поверен) с помощью
цифрового вольтметра общего применения, класс точности кото-
рых вполне достаточен для рассматриваемого случая. Напомним,
что такие вольтметры измеряют действующее (RMS) значение на-
пряжения.
Подключив ко входам аудио карты аттестованный источник пе-
ременного напряжения (обычно в таких случаях используют сину-
соидальный сигнал частотой 1000 Гц), переходим к выбору в окне
на рис. 1.30 следующих параметров:
1. В строке Level оставляем значение напряжения 1 В, соответ-
ствующее выходному напряжении эталонного источника; вместо
peak (амплитуда) выбираем rms (действующее значение).
2. Включаем опцию Enable Calibration (при этом шкалы графи-
ков будут отображены с учетом рассчитанных при калибровке
масштабных множителей).
3. Если в компьютере используется графический ускоритель, то
вводится поправка в строке Convert Spectrum То.
4. Поскольку калибровка ведется двухполярным (синусоидаль-
ным) сигналом без постоянной составляющей, то для каждой по-
луволны количество уровней квантования должно составлять 50%
от полной шкалы (например, 128 уровней для 8-битной аудио кар-
ты), т. е. в строках Detect levels оставляем показанные на рис. 1.30
значения.
5. Нажимаем кнопку Measure Input Signal для проведения ка-
либровки, после чего анализатором автоматически меняются соот-
ветствующие факторы масштаба (шкалы) для каждого канала.
51
1. Инструментальные средства на базе аудио карты IBM PC
Рис. 1.30. Окно настроек Calibration
6. Результаты калибровки могут быть сохранены в виде тексто-
вого файла с расширением .CAL в папке CAL и при необходимо-
сти загружены.
5. Device — тип аудио карты; определяется программой автома-
тически.
6. Markers — этот пункт меню Options рассматривался выше
(см. рис. 1.21).
7. File I/O Options — настройки по сохранению и управлению
WAV-файлами, которые, в отличие от перечисленных выше на-
строек, вызываются одноименной командой из меню File; в окне
команды (рис. 1.31) задаются:
File Access method — метод доступа к WAV-файлам, сохранен-
ными в оперативной памяти (RAM) или на жестком диске (Hard
Disk) с опцией резервного копирования (Make Backup) и выбором
пути к папке копий командой File/Set Paths, а также опцией вклю-
чения в состав WAV-файла параметров калибровки (Include Calib-
ration Data in WAV file) с незначительным увеличения его объема.
Real Time Mode Data Buffering — выбор параметров буфериро-
вания данных с опцией разрешения (Enable Data Buffering) и раз-
мером буфера (Data Buffer Size), определяющего время записи
WAV-файла, используемого в дальнейшем при формировании
спектрограмм и постобработке.
52
1.5. Программа SpectraLab
Рис. 1.31. Окно настроек File I/O Options
1.5.4. Примеры использования программы
В разд. 1.5.1 уже иллюстрировалась один пример использова-
ния программы при формировании объемной трехмерной спек-
трограммы (рис. 1.24) с помощью файла voice.wav из папки WAV
после загрузки специального конфигурационного файла voice.cfg
из папки CONFIG командой Config/Load Configuration. В указан-
ных папках находятся еще ряд примеров конфигурационных и со-
ответствующих им WAV-файлов, а в справочной системе програм-
мы — описание способов их реализации; рассмотрим некоторые
из этих примеров.
1. Исследование акустического отклика помещения (файлы EQU-
ALIZE.CFG, EQUALIZE.WAV). Файл конфигурации в части на-
строек режимов анализа и отображения (с нашими комментария-
ми) содержит следующие данные:
Mode: Real-Time (режим: реального времени)
Views: Spectrum, Time Series (просмотр: спектра и осциллограммы)
Amplitude axis: Logarithmic (ось амплитуд: логарифмическая)
Frequency axis: 1/3 Octave (ось частот: 1/3-октавная)
Standard Weighting: Flat (стандартное взвешивание: равномер-
ное)
Mic compensation: Yes, if your mic is not sufficiently «flat» (ком-
пенсация микрофона: да, если микрофон имеет недостаточно
равномерную АЧХ)
Sampling rate: 44100Hz (частота дискретизации: 44100 Гц)
FFT size: 8192 or 16384. (размер БПФ: 8192 или 16384)
Decimation: 1 (прореживание: 1)
53
1. Инструментальные средства на базе аудио карты IBM PC
Averaging size: infinite (размер усреднения: бесконечность)
Smoothing Window: Uniform (сглаживающее окно: единичное)
I6 bit, Mono (16 бит, моно)
Целью измерения акустического отклика помещения является
настройка эквалайзера акустической системы с целью обеспече-
ния ее наилучшего звуковоспроизведения с учетом множества
факторов [4]. Считается, что для этого акустический отклик поме-
щения в идеальном случае должен обладать совершенно ровным
спектром.
Порядок проведения эксперимента:
1. Ползунковые регуляторы (слайдеры) эквалайзера акустиче-
ской системы устанавливаются в нулевое состояние или на одина-
ковый уровень. Заметим, что выбор опции 1/3-октавного шкали-
рования в меню Options/Scaling программы соответствует стандар-
тному l/3-октавному графическому эквалайзеру аудио систем.
2. Ко входу усилителей акустической системы подключается ге-
нератор розового шума из SpectraLAB или Analyze (при этом по-
требуется еще одна аудио карта или карта с несколькими входа-
ми/выходами) или специальный компакт диск для акустического
тестирования.
3. Ко входу аудио карты подключается измерительный микро-
фон, размещаемый в центре помещения (комнаты).
4. Регуляторы уровня усилителей акустической системы и
аудио карты устанавливаются в положение, при котором сигнал на
выходе аудио карты не ограничивается (для контроля удобно ис-
пользовать осциллограф из программы Analyze).
5. После запуска анализатора и проведения измерений исследу-
ется форма спектра (остановка анализатора производится после
стабилизации спектра). В качестве примера на рис. 1.32 показан
спектр акустического отклика некоего виртуального помещения,
записанного в файле EQUALIZE.WAV.
6. Нежелательные участки спектра удаляются (ослабляются или
усиливаются) выбором положения регуляторов эквалайзера аудио
системы с последующим контролем спектра и сравнением его с
предыдущим, зафиксированным рассмотренным в разд. 1.5.1 спо-
собом. При тонкой настройке необходимо установить линейный
масштаб частот, подать на вход аудио системы белый шум вместо
розового и использовать меньший размер БПФ, например, 1024.
54
1.5. Программа SpectraLab
Из рис. 1.32 видно, что для улучшения акустического отклика
некоего виртуального помещения необходимо повысить усиление
аудио системы в диапазоне частот 30—400 Гц и 2—15 КГц.
[ЖЖ Ж Ж ГД И Щ.РМТор: [65.00 IjJ Plot Range: |15 0
Рис. 1.32. Спектр акустического отклика помещения
2. Определение передаточной функции (файлы TRANSFER.CFG,
TRANSFER.WAV); файл конфигурации содержит следующие на-
стройки режимов анализа и отображения (из справочной системы):
Mode: Real-Time
Views: Spectrum, Phase
Sampling Rate: At least twice the highest frequency produced by the
device under test
FFT size: 4096 typical
Averaging: 4
Peak Hold: Off
Smoothing Window: Hanning
Dual Channel Spectral Processing: Real Transfer Function
Left/Right
16 bit Stereo
Frequency scaling: your choice
Amplitude scaling: Logarithmic
Spectral Weighting: flat
Согласно приведенным в справочной системе сведениям, изме-
рения проводятся по схеме на рис. 1.33 и состоят из следующих
операций:
1. Ко входу тестируемого устройства и входу правого канала
аудио карты подключается внешний генератор гармонических сиг-
налов качающейся частоты (свип-генератор).
55
1. Инструментальные средства на базе аудио карты IBM PC
2. Выход тестируемого устройства подключается к левому кана-
лу аудио карты.
3. Запускается анализатор и останавливается после стабилиза-
ции формы спектра.
Звук карта
Генератор
сигналов
Тестируемое
устройство
Левый канал
Правый канал
Передаточная
' функци я
(ле бый>правый)
Двуканальный режим обработки
Рис. 1.33. Функциональная схема измерения передаточной
функции
Из сравнения схем на рис. 1.1, б и 1.33 видно, что последняя
является частным случаем первой с той разницей, что в первой в
качестве измерительного используется внешний (дополнитель-
ный) генератор. Естественно, встает вопрос: а почему нельзя ис-
пользовать соответствующий генератор из программы, осциллог-
раммы и спектр сигналов которого легко анализируются и отобра-
жаются в положении К (Контроль) переключателя П1 на схеме
рис. 1.1, 0е! Ведь в этом случае между клеммами ВхИ и ВыхИ пра-
вого канала достаточно поставить перемычку, а между теми же
клеммами левого — включить исследуемое устройство и перевести
переключатель в положении Р (Работа). К сожалению, ответа на
поставленный вопрос в справочной системе нет. Поэтому нами
были проведены испытания схемы на рис. 1.34, а с применением
«родного» генератора белого шума, обладающего равномерным
спектром в широком диапазоне частот и, следовательно, можно
получить отклик исследуемого устройства на частотах от минима-
льно низкой и, в идеале, до беспредельно высокой.
При проведении испытаний использовался файл конфигурации
TRANSFER.CFG. При загрузке этого файла автоматически загру-
жается и файл TRANSFER.WAV (он прописан в разделе [FileHis-
toryj файла TRANSFER.CFG) с последующим автоматическим за-
пуском в режиме постобработки (прописано в строках TimeSeri-
es=0 SpectraPlot=l PhasePlot=l раздела [ViewStatus]). Поэтому
перед запуском анализатора необходимо перейти в режим реаль-
ного времени (Real Time) и активизировать сигнал-генератор
командой Utilities/Signal Generator в режиме White Noise.
56
1.5. Программа SpectraLab
ВыхИ
Л П
Т I
ВхИ
Л О Л П
т * т т
д р
8.2 Ом
L
540 мкГн
а)
ЛаЕЗ'
Complex Transfer Function (LefuRignt)
2 -15.0
< -20.0
“ -10.0
Overlays
« C.
tn о
JJF Overlay 1
21Г cve.ya;;
IIP Overlay'3
Options... |
-25.0.
300 ‘ 500 * 700 ’ 4.0k,.. ; < 2.0k, 3.0k.. ‘ 5.0k
' Frequency (Hz) '
6)
j И Phase
|Ч||?2х||<Йй||§:! Д PiotTop:|30.0 H
90.0
60.0
30.0 ‘
0.0
-30.0
-60.0
-90.0
- / .Complex Transfer Function (Lefl/RIght)
Frequency (Hz)
в)
Рис. 1.34. К определению передаточной функции
Результаты измерения представлены амплитудно-частотной
(рис. 1.34, б) и фазо-частотной (рис. 1.34, в) характеристиками, а
также их численными значениями в таблицах на рис. 1.35, полу-
ченными командой View Data Values из контекстного меню. Про-
ведем анализ полученных данных для частот 1000 и 3000 Гц с ис-
пользованием параметров схем на рис. 1.34, а и 1.1, а.
Как видно из этих схем, выходной сигнал левого канала посту-
пает на его вход через делитель напряжения с коэффициентом пе-
57
1. Инструментальные средства на базе аудио карты IBM PC
редачи К « Л/(Л + Rk + ЛЮ + Х[), где ЛЮ — сопротивление за-
щитного резистора в схеме на рис. I.l, a; Rk — активное сопро-
тивление катушки L (обмотка длинных волн магнитной антенны
радиоприемника); Х^ = 2nfL — ее реактивное сопротивление.
На частоте 1000 Гц XL\ = 2л • 1000 • 540 • Ю~6 = 3,4 Ом, а на ча-
стоте 3000 Гц Хц = 2л • 3000 • 540-Ю-6 = 10,2 Ом. В таком случае
на частоте 1000 Гц К\ « 8,2/(8,2 + 2,5 + 22 + 3,4) «
0,228 = —12,8 дБ (в табл, на рис. 1.35, а — примерно —13,2 дБ), а
фаза <р, = Arc tg [ХА|/(Л + Rk + ЛЮ)] = Arc tg [3,4/(8,2 + 2,5 +
22)] = Arc-tg [3,4/(8,2 + 2,5 + 22)] = 6° (на рис. 1.35, б — примерно
9,3°). На частоте 3000 Гц К3 « 8,2/(8,2 + 2,5 + 22 +
10,2) « 0,19 s —14,37 дБ (на рис. 1.35, в — примерно —13,9 дБ), а
фаза <р3 = Arc tg [XL3/(R + Rk + ЛЮ)] = Arc tg [10,2/(8,2 + 2,5 +
22)] = 17,3° (на рис. 1.35, г — примерно 26,7°).
Из приведенных результатов расчета и измерения видно, что по
порядку величин они достаточно близки, особенно для случая АЧХ.
IQ Spectrum
Hz, dB --I
990.52731 ~-13.15kJ
Г 1012.06051 -13 25*~“*
1033 59381 ~-13 24*
1055.12701 -1315
1076 66021 -13 17
1098.19341 -1316.
1119 72661 -13 17*
1141.25981 -13 20*
1162.79301 -13 40
1184 32621 -13 42
1205.85941 -13WJ
а)
IQ Spectrum
HZ1 dB
2971 58201 -13 68
2993.11521 -13 99 |
3014 64841 -1381
3036.18161 -13 73
Г -- f , Д AAA ММ ааа AAA AM адм AM ААА ААА«
3057.71481 -13 54
3079 24801 -13 64~
3100.78121 -1361.
3122 31451 -1341*
3143.84771 -13 34
3165.38091 -1347
3186 9141Т -13 49 ^]
в)
IQ] Phase 3
: HZ degrees d
968.9941 10.0292
990.5273 9.5089
1012.0605 | 9.2464
1033.5938 9 48% ..
1055.1270 7.9962
1076.6602 [ 8.5945
1098.1934 9.9633
1119.7266 i 9.1247
i’l 41 2598 L 9.5064 to
: _ 1162 7930 9 4385
. ”l 184.3262 j " 9.6526 vj
1 5)
IQ Phase x|
Hz degrees.^)
2971.5820 25 8981.
2993 1152 267766* |
3014.6484 27.6936
3036.1816 28.2858
3057.7148 29.5132^
30 7 9.2 4 80 '2 JjOi 5847*
3100.7812 30 5585 ,
3122.31 45 29 1652
3143 8477 29 4379
3165.3809 29.0892,
3186.9141 28.61551
г)
Рис. 1.35. Результаты измерения передаточной функции
58
1.5. Программа SpectraLab
Полученные данные целесообразно сравнить с аналогичными
данными при отсутствии исследуемого четырехполюсника. Для
этого переключатель П! входного устройства (рис. l.l) переводит-
ся в положение К и отключается резистор R в схеме на рис. 1.34 в
точке I. Результаты измерений для этого случая показаны на
рис. 1.36 и 1.37, откуда видно, что коэффициенты передачи на ча-
стотах 1000 и 3000 Гц составляют 0,45 и 0,57 дБ (см. рис. 1.36) и,
очевидно, должны быть прибавлены к соответствующим результа-
там на рис. 1.35, что сближает результаты измерений и расчетов.
Что же касается фазы, то результаты ее измерения (рис. 1.37) по-
казывают, что в рассматриваемом случае наше измерительное
устройство является системой с отрицательной обратной связью
(ООС) с отставанием по фазе 180° — 171,5° = 8,5° на частоте
1000 Гц и 180° — 157,5° = 22,5° на частоте 3000 Гц. Поскольку ток
в RL-цепи опережает напряжение и, следовательно, выходное на-
пряжение, формируемое на резисторе R делителя, опережает вход-
ное, то получаемое опережение по фазе компенсирует ее отстава-
ние при 100-процентной ООС и, следовательно, должно суммиро-
ваться с фазой отставания, однако не чисто арифметически, а с
учетом изменения коэффициента передачи в петле ООС на К] и
Кз, т. е. действительное отставание по фазе приблизительно равно
8,5Kj = 1,94° и 22,5Кз = 4,3°. Таким образом, расчетные значение
фазы для схемы на рис. 1.35 нужно увеличить на приведенные
значения и, следовательно, приблизить результаты расчета к изме-
ренным.
3. Цифровая фильтрация аудио сигналов; пример представлен
конфигурационным файлом FILTER.CFG и записью птичьего пе-
ния (файл BLKBIRDS.WAV) с искажениями в виде низкочастот-
ного шума и рокота, что обнаруживается при рассмотрении спек-
тров на рис. 1.38. Коррекцию искажений целесообразно проводить
путем сравнительного анализа как объективных данных в виде
спектров и их изменения во времени (спектрограмм), так и субъ-
ективных (путем прослушивания фрагмента до и после коррек-
ции).
Исследование спектра и спектрограммы на рис. 1.38 показыва-
ет, что искажения в основном сосредоточены в области низких ча-
стот (ниже 1000 Гц). После прослушивания в режиме Record
IУ
(кнопкой ) исследуемого фрагмента на спектрограмме
59
1. Инструментальные средства на базе аудио карты IBM PC
A Spectrum
Complex Transfer Function (LetVRight)
Overly
a)
x
Q Spectrum
2.0
3.0
4.0
3.0
*2.bk'\5 зк
Frequency (Hz)
Jjr
21 Г
\3]Г Overlays'^
► [ Options.,.], v;
5.0k кД<:\
Q Spectrum
_______HZ!
925 9277;
947.4609
968 9941 j
990 5273?
i"6"l 2.0605!
1033 5938!
1055.1270 =
10766602 i
1098.1934!
1119 7266!
1141 2598!
0.33
0 34
0.59
0.32
-01Г
0.19
0.58
1.04
"Ь'бГ
0.28
Hz=
2928 5156j
2950.0488-'
"297i'"582bT
2993.1152Г
3014_6484;
~3036 181 б’
3057.7148:
3079 2480;
3100.7812!
31~22.3145J
"3143’.84’77f
dB
0.69;
0 58
0.57*
0 57*
0 47*
0.58:
0 58
0 46 =
ojsjT '
0 6p\j
б) в)
Рис. 1.36. Результаты измерения амплитудно-частотной
характеристики
(рис. 1.38, б) инструментом 1Ь—J выделим подозрительный учас-
о
ток, после чего кнопкой IL—J вызываем окно с параметрами
цифрового фильтра (рис. 1.19), в котором выберем фильтр High
Pass с частотой среза 1000 Гц и кнопкой ОК запустим процесс фи-
льтрации. После фильтрации исследуемый участок спектрограммы
вновь выделяется и прослушивается: искажения должны быть в
значительной мере подавлены. Если результат проведенной кор-
рекции (редактирования) неудовлетворительный, то командой
Edit/Undo можно отменить внесенные изменения и восстановить
исходные данные.
При редактировании аудио сигнала может быть полезным так-
же анализ его осциллограммы и спектра, получаемые после двой-
ного щелчка в исследуемой точке спектрограммы.
60
1.6. Имитаторы генераторов
a)
Ш Phase
Hz
925.9277
947.4609
968.99 41'
990.5273
1012.0605
1033.5938
1055.1270
1076’6602
1098 1934
1~i 19.7266
114Г2598
degrees
:y'72"2782
-173 6838
;Y742oY4
-172.1286
-1711.2594
-172.9712
:Y727782
-171.3042
-171.064?
:^2g278
[3
-±J
d
2993.1152
3014 6484
3036 1816
3057.7148
3079 2480
3100.7812 "
3122.3145 "
3143.8477 "
3165.3809
3186.9141
-157.0516
-156 8714
-157 2696
J.57 0804
-157.3064
-156 9289 yj
6)
в)
Рис. 1.37. Результаты измерения фазо-частотной
характеристики
1.6. Имитаторы генераторов
Такие имитаторы представлены функциональным генератором
(архив fgen.zip на сайте CityRadio.ru размером 36,7 Кбайт) и
свип-генератором синусоидального сигнала (архив sinegen.zip,
116 Кбайт).
Функциональный генератор (файл fg.exe размером 70524 байт,
лицевая панель на рис. 1.39) рассчитан на формирование перио-
дических сигналов в диапазоне 1...20000 Гц синусоидальной
(Sine), пилообразной (Sawtooth) и прямоугольной (Square) формы,
а также последовательности коротких импульсов (Pulse). Испыта-
ния генератора проводились с применением осциллографа и спек-
троанализатора из разд. 1.3. Полученные результаты показывают,
что по своим параметрам он близок к генератору из разд. 1.3.
Свип-генератор (файл sine.exe размером 276736 байт, лицевая
панель на рис. 1.40) рассчитан на формирование синусоидальных
61
1. Инструментальные средства на базе аудио карты IBM PC
, Elot Top; рО.ОО |t|.'Plot Range: |40 0
a)
6)
Рис. 1.38. Спектры аудио сигнала с искажениями
Рис. 1.39. Функциональный генератор
62
1.7. Другие программы
Рис. 1.40. Свип-генератор
сигналов в диапазоне 4...40000 Гц. Испытания генератора, прове-
денные с применением осциллографа из разд. 1.3, показали, что
по своим параметрам в диапазоне до 20 кГц он близок к генерато-
ру из разд. 1.3; в диапазоне 20—40 кГц по мере повышения часто-
ты существенно ухудшается форма сигнала и уменьшается его
уровень. Настройку прибора (выбор частоты и уровня выходного
сигнала) целесообразно проводить в выключенном состоянии
(кнопка Mute утоплена): несоблюдение этого условия может при-
водить к зависанию компьютера. В этой части наиболее опасен
свип-режим (Sweep), включаемый опцией On; в этом случае зави-
сание настолько «крепкое», что единственным выходом является
выключение компьютера или использование кнопки Reset.
1.7. Другие программы
Приведем краткие сведения по другим программам, размешен-
ными на сайте CityRadio.ru
1. Программа Audiotester (архив audiotester.zip, 570 Кбайт) с реа-
лизацией спектроанализатора, осциллографа и генератора сигнала
различной частоты и формы; язык интерфейса — немецкий; ка-
ких-либо преимуществ перед рассмотренными выше не имеет.
2. Программа Unilogic (архив ulogic.rar, 82,1 Кбайт) реализует
4-канальный логический анализатор, осциллограф и частотомер с
63
1. Инструментальные средства на базе аудио карты IBM PC
выходами/входами на LPT порт (схема подключения приведена в
файле Read.те и показана на рис. 1.39) с параметрами:
— запоминание логических сигналов TTL уровня (до 5 В) по
четырем каналам (входы DO—D3 с защитными резисторами
300 Ом на рис. 1.41) с возможностью последующего про-
смотра и записи на диск;
— декодирование запомненных сигналов последовательных
протоколов I2C, SPI и др.;
— воспроизведение записанных сигналов;
— измерение частоты до 800 КГц (определяется быстродейст-
вием ПЭВМ);
Рис. 1.41. Схема LPT адаптера
3. Программа SB Analyzer (архив sba_l_0.zip, 994 Кбайт) пред-
ставляет собой виртуальный измерительный комплекс в составе
осциллографа, спектроанализатора, измерителей АЧХ, нелиней-
ных искажений и шумовых характеристик с возможностью испо-
льзования нескольких измерительных инструментов одновремен-
но. Автор программы Иванов И. В. (домашняя страница
http://home.skif.net/~iiv/) обещает в ее последующих версиях реа-
лизовать стробоскопический эффект для расширения рабочего
диапазона частот измерительных приборов. Существенным недо-
статком программы является то, что она разработана под ПК с ма-
теринской платой ASUS SP98AGP-X Smart ATX с интегрирован-
ной (встроенной) звуковой картой, что, как оказалось в результате
испытаний, исключает возможность ее применения в ПК со стан-
дартной комплектацией, т. е. с использованием отдельной звуко-
вой карты.
64х
2. Химические источники тока (ХИТ)
Химическими источниками тока называются устройства, пре-
вращающие химическую энергию окислительно-восстановитель-
ных процессов в электрическую; для такого превращения необхо-
димо, чтобы окислительный и восстановительный процессы, свя-
занные с изменением зарядов у электродов, были разделены в
пространстве, а сами электроды подключены к внешней цепи на-
грузки [5—10].
История создания ХИТ связана в первую очередь с именем
итальянского ученого Луиджи Гальвани, который при проведении
электрофизиологических опытов в 1780 г. обнаружил сокращение
мышц препарированной лягушки при соприкосновении с метал-
лическими предметами, находящимися вблизи электрофорной ма-
шины. В дальнейшем имя ученого было увековечено в названии
электрохимических превращений (гальванизм) и в основанных на
их применении приборах — гальванических элементах.
Заинтересовавшись опытами Гальвани, его соотечественник
Алессандро Вольта продолжил исследования в этой области, но, в
отличие от своего предшественника, стал искать объяснение от-
крытого явления не в физиологии животных, а в физике. Путем
многократных опытов он пришел к выводу, что гальванический
эффект создается при использовании пары разнородных металлов.
Дальнейшие исследования А. Вольта были посвящены поискам
наиболее подходящей пары, в результате чего им был создана бата-
рея из отдельных элементов с электродами из меди и цинка в каж-
дом и раствора серной кислоты в качестве электролита. В отличие
от кратковременного (импульсного) действия существовавших в то
время накопителей электричества (например, лейденской банки),
гальванический столб-батарея, по словам его изобретателя, «созда-
вал неуничтожимый заряд, который восстанавливается сам собой».
Приглашенный во Францию, А. Вольта продемонстрировал
Наполеону, ученым и горожанам свой столб-батарею, получив-
ший в дальнейшем название «Вольтов столб». Заслуга создания
принципиальной схемы и работоспособной конструкции гальва-
нического элемента увековечена в названии единицы измерения
напряжения — вольт (В).
В дальнейшем исследования ученых были направлены на усо-
вершенствование гальванических элементов путем поиска новых
65
2. Химические источники тока (ХИТ)
электродных пар и электролитов. Такие элементы, как правило,
назывались по именам их создателей. Так, элемент Даниеля
(1836 г.) имел медный и цинковый электроды, подобно элементу
Вольта, но отличался применением двух электролитов: цинковый
электрод был погружен в раствор серной кислоты (или сернокис-
лотного цинка), а медный — в раствор сернокислой меди, при
этом электроды были разделены пористой перегородкой. В эле-
менте Грене электролит состоял из смеси растворов серной кисло-
ты и двухромовокислого калия. Один их электродов этого элемен-
та был по-прежнему цинковым, а второй — из угля. До настояще-
го времени широко используется конструкция элемента,
предложенная Лекланше (1865 г), в котором отрицательный элект-
род был традиционно цинковым, а положительный был выполнен
из двуокиси марганца с добавками; электролит содержал хлори-
стые соли калия, магния и кальция. Предложение Лаланда
(1882 г.) использовать щелочной электролит до сих пор широко
используется в марганцево-цинковых элементах.
Для увеличения длительности работы гальванических элемен-
тов использовались специальные деполяризаторы, призванные
противодействовать нежелательному взаимодействию материала
электрода и электролита. Впервые деполяризатор применил Грове
в 1833 г.; Бунзен использовал хромовый деполяризатор и искусст-
венный угольный электрод. В 1879 г. Меш предложил применять
для деполяризации электродов кислород воздуха, что удалось реа-
лизовать Фери в 1914 г.
На некоторое время усовершенствование гальванических эле-
ментов было приостановлено изобретением динамо-машины. Од-
нако XX век принес новые изобретения и открыл другие области
применения таких элементов, в частности, в портативных радио-
приемниках, радиостанциях, в часах, в фото- и кинотехнике, в ка-
честве резервных источников электропитания и т. п. Все эти спут-
ники человека требуют автономного электропитания, что явилось
мощным стимулом совершенствования гальванических элементов
и разработки новых электрохимических систем для их построения.
2.1. Классификация и параметры ХИТ
По характеру работы все известные разновидности ХИТ разде-
ляют на первичные или гальванические (сухие) и вторичные или
66
2.1. Классификация и параметры ХИТ
аккумуляторы. Первичные источники допускают лишь одноразо-
вое использование содержащихся в них активных материалов:
полностью разряженные гальванические элементы в большинстве
случаев к дальнейшей работе не пригодны. В отличие от первич-
ных аккумуляторы являются источниками электрической энергии
многоразового действия. В аккумуляторах активные вещества, из-
расходованные в процессе протекания реакции, дающей электри-
ческую энергию, должны восстанавливаться (регенерироваться)
при пропускании через разряженный аккумулятор постоянного
тока, направление которого противоположно направлению раз-
рядного. При этом на отрицательном электроде реакция окисле-
ния заменяется реакцией восстановления, а на положительном ре-
акция восстановления — реакцией окисления.
Физическое объяснение токообразования как результата дейст-
вия контактной разности потенциалов восходит к А. Вольта. Сво-
ими опытами он установил связь между возникающим электриче-
ским эффектом и используемыми материалами электродов. Со-
вершение работы по переносу заряда через замкнутую внешнюю
цепь требует подвода тепловой энергии извне или изменения
внутренней энергии. В первом случае, характерном для тепловых
элементов (см. разд. 2.3), тепловой эквивалент Ат токообразующей
реакции и генерируемая электродвижущая сила (ЭДС) Е связаны
уравнением Гиббса—Гельмгольца
Е ~ A?/nF + а Г,
где п — валентность металла электрода; F = 94600 Кл — число Фа-
радея; ос — коэффициент, учитывающий температурную зависи-
мость ЭДС; Т — абсолютная температура окружающей среды, К.
Во втором случае вся цепь находится при одинаковой темпера-
туре и работает без подогрева. Таким образом, работа по переносу
заряда через цепь, состоящую из элемента, соединительных про-
водов и нагрузки, может совершаться только за счет изменения
внутренней энергии, вызванного химическими превращениями,
при которых из материала растворяющегося электрода в электро-
лит переходят ионы металла, уносящие положительный заряд. Из-
быток остающихся электронов приводит к тому, что по отноше-
нию к электролиту металл оказывается отрицательно заряженным.
В соответствии с законом Кулона процессу разделения зарядов
начинает препятствовать электрическое поле, собирающее в
основном свободные заряды на границе раздела электролита и
67
2. Химические источники тока (ХИТ)
электрода. Такая цепь обладает способностью совершать работу,
т. е. обладает потенциалом. По теории Нернста этот потенциал
связан с видом электрода и поэтому называется электродным. Из
сказанного следует, что электродный потенциал характеризует
способность металлического электрода отдавать ионы в электро-
лит и является постоянной величиной для данного металла в изо-
лированных условиях. Однако с учетом влияния электролита элек-
тродный потенциал конкретного металла зависит также от соотно-
шения концентрации С ионных образований, возникающих при
токообразующей реакции, и их валентностей. Таким образом, ре-
зультирующий электродный потенциал ср может быть представлен
в виде суммы двух потенциалов — постоянного (р0 и концентраци-
онного ф,:
<р = <р0 + Ф1(С, п). (2.1)
Совместное действие обоих электродов приводит к тому, что
между ними возникает ЭДС
Е=(р+-(р-> (2.2)
обусловленная разностью потенциалов положительного и отрица-
тельного электродов.
Из формулы (2.2) видно, почему электроды должны быть вы-
полнены из разных материалов: только такое сочетание дает нену-
левую ЭДС, а из (2.1) и (2.2) следует важнейший конструктивный
параметр ХИТ — электрохимическая система, определяемая сово-
купностью применяемых активных веществ (электродов) и элект-
ролита. Этот параметр имеет словесное описание и условное обо-
значение, в котором между двумя вертикальными черточками пи-
шется химическая формула электролита, а слева и справа —
химические формулы активных веществ до разряда. Так, напри-
мер, серебряно-цинковая электрохимическая система записывает-
ся следующим образом:
(—)Zn|KOH|AgO(+),
откуда видно, что электрохимическая система состоит из двух ти-
пов проводников: первого рода (металлы Zn и AgO) и второго
рода (электролит КОН), причем для тока во внешней цепи AgO
считается положительным электродом, a Zn -- отрицательным,
что отвечает принятому в электротехнике понятию положительно-
го направления тока во внешней цепи для данного источника (от
68
2.1. Классификация и параметры ХИТ
«+» к «—»). Однако с «точки зрения» самой электрохимической
системы все выглядит наоборот: AgO считается катодом, принима-
ющим из внешней цепи электроны для своего восстановления, а
Zn — анодом, инжектирующим электроны во внешнюю цепь при
его окислении. При таком подходе выполняется условие непре-
рывности тока в замкнутом контуре из ХИТ и его нагрузки, а так-
же данному в начале главы определению ХИТ, согласно которому
процесс токообразования (восстановления/окисления) в идеаль-
ном случае возможен только при наличии внешней цепи с нагруз-
кой. Некоторые авторы (с «физико-химическим мышлением»)
принимают «точку зрения» электрохимической системы и в при-
веденной формуле меняют знаки на обратные.
К другим важным параметрам ХИТ, определяемым в основном
электрохимической системой, относятся:
I. Емкость (Q) — способность элемента хранить определенное
количество электричества; оценивается электрическим зарядом,
который может быть перенесен через внешнюю цепь; зависит от
условий разряда (температуры среды, тока разряда); определяется
обычно опытным путем при фиксированных параметрах разряда;
измеряется в ампер-часах (А-ч) или кулонах (I А-ч = 3600 Кл); раз-
личают следующие разновидности этого параметра:
l.l. Номинальная (Qh) — минимальная гарантированная^ тех-
ническими условиями емкость, которая может быть получена
при стандартных условиях разряда.
1.2. Остаточная (Qg) — емкость элемента по истечении гаран-
тийного срока хранения; меньше фактической и номинальной.
1.3. По сопротивлению нагрузки (Qr) — емкость при разряде
на постоянную нагрузку.
1.4. По току (Q|) — емкость при разряде постоянным током,
А-ч.
1.5. По энергии (QA = A/Ucp) — определяется работой А и
средним напряжением Ucp, Вт-час.
1.6. Теоретическая (Q) — емкость, рассчитанная при 100 %-ном
использовании всех активных веществ; значительно больше но-
минальной и фактической емкостей; недостижима из-за непол-
ного использования этих веществ вследствие конструктивных
особенностей, из-за нежелательного химического изменения
части активных веществ в процессе разряда и т. п.
69
2. Химические источники тока (ХИТ)
1.7. Удельная массовая (Qm = Q/m) — емкость, отдаваемая эле-
ментом единичной массы т.
1.8. Удельная объемная (Qv = Q/V) — емкость, отдаваемая эле-
ментом единичного объема V.
1.9. Фактическая (Рф) — реально получаемая от свежеизготов-
ленного элемента (при стандартных условиях разряда).
2. Коэффициент использования активного вещества (К = (Оф/
Qt)100%) — показывает степень использования активной массы
(активного вещества с учетом примесей).
3. Кривая разряда — показывает изменение напряжения на
электродах элемента в зависимости от длительности разряда или
от емкости (только для разряда при постоянном разрядном токе);
снимается экспериментально и соответствует усредненным значе-
ниям для нескольких элементов из разных партий.
4. Мощность — энергия, отдаваемая элементом в единицу вре-
мени: Р = IcpUcp, Вт; различают следующие разновидности этого
параметра:
4.1. Удельная массовая — мощность, отдаваемая элементом
единичной массы: Рт = Р/т, Вт/кг.
4.2. Удельная объемная — мощность, отдаваемая ГЭ единично-
го объема: Pv = P/V, Вт/м3.
5. Внутреннее сопротивление R,; зависит от электропроводно-
сти электролита, геометрии электродов (формы, размеров, взаим-
ного расстояния), а также от целого ряда факторов (контактные и
переходные явления, поляризация); обычно значение Rj для мало-
мощных ХИТ находится в пределах единиц-десятков Ом; измеря-
ется как на переменном, так и постоянном токе.
6. Напряжение — разность потенциалов электродов при проте-
кании через них тока; определяется законом Ома для полной цепи
(с учетом падения напряжения на внутреннем сопротивлении Rj):
U = Е RH/(RH + Rj); различают следующие разновидности этого
параметра:
6.1. Начальное (Uh) — напряжение на электродах в момент
включения элемента на разряд, но не более чем через 5 мин
после включения.
6.2. Конечное (U|<) — напряжение на электродах, по достиже-
нии которого дальнейшая эксплуатация элемента становится
нецелесообразной или невозможной (около 60 % от Uh); из-
вестно также под названием «напряжение отсечки».
70
2.1. Классификация и параметры ХИТ
6.3. Среднее (Ucp) — среднее значение напряжения на задан-
ном временном интервале, по которому рассчитывают нор-
мальную работоспособность используемой аппаратуры.
6.4. Напряжение холостого хода — напряжение на внешних за-
жимах источника при отсутствии отбора тока; практически рав-
но его ЭДС.
7. Поляризация — изменение электродного потенциала относи-
тельно равновесного при прохождении электрического тока. При-
водит к снижению напряжения на электродах элемента в процессе
разряда. Зависит от плотности протекающего тока, температуры,
состава и конструкции электрода, состава и концентрации элект-
ролита. Учитывается как компонент внутреннего сопротивления.
Определяется разницей между напряжением холостого хода и на-
пряжением в текущий момент разряда. Зависимость поляризации
от силы тока называется поляризационной кривой.
8. Саморазряд — потеря емкости при разомкнутой внешней
цепи; основной причиной саморазряда является взаимодействие
активных масс электродов и электролита; количественно оценива-
ется величиной уменьшения емкости за сутки и определяется по
формуле:
s = [(Q, -Q2)/z Q,]100%.
где Qi, Q2 — емкость до и после хранения; z — количество суток.
9. Сохранность — промежуток времени, в течение которого га-
льванический элемент при нормальных условиях (20°С) сохраняет
90% первоначальной емкости.
10. Рабочий диапазон температур.
11. Режим разряда (постоянный или импульсный).
Для аккумуляторов дополнительными параметрами являются:
1. Коэффициент отдачи (КО) — отношение количества элект-
ричества, отданного аккумулятором при полном разряде (до Uk),
к количеству электричества, полученному при заряде.
2. Коэффициент полезного действия (КПД) — отношение ко-
личества электричества, отданного аккумулятором при разряде до
значения его нормальной работы, к полученному при заряде.
3. Зарядная емкость Q3 = 1зТ — количество электричества, по-
глощенное аккумулятором при зарядном токе I3 и времени заряда
t. Зарядный ток зависит от способа зарядки (см. разд. 2.5) и в наи-
более часто рекомендуемом режиме I3 = 0,1Qh- Поскольку заряд-
71
2. Химические источники тока (ХИТ)
ная емкость с учетом коэффициента отдачи Q3 = Qh/KO, то при
I3 = 0,IQh и КО = 0,7 (70%) получаем, что необходимое время за-
ряда составляет 14... 15 часов, что и рекомендуется на практике для
стандартного режима зарядки.
4. Цикл — совокупность одного заряда аккумулятора и следую-
щего за ним разряда.
5. Срок службы — количество циклов, которое может выдер-
жать аккумулятор до тех пор, пока его разрядная емкость не ста-
нет меньше 90% номинальной.
6. Срок хранения — время с момента изготовления аккумулято-
ра до в вода-его в эксплуатацию, в течение которого находящийся
в определенных условиях аккумулятор сохраняет свои основные
эксплуатационно-технические характеристики.
7. Минимально допустимое напряжение разряда — напряже-
ние, при котором возможна переполюсовка аккумулятора и невоз-
можность его восстановления.
2.2. Электрохимические системы
гальванических элементов
В первичных ХИТ используются следующие электрохимиче-
ские системы:
1. Марганцево-цинковые элементы и батареи (электрохимиче-
ская система — цинк-хлорид аммония-двуокись марганца) с но-
минальным напряжением 1,5 В в составе:
1.1. Элементы и батареи Лекланше (угольно-цинковые) с соле-
вым электролитом (водным раствором хлорида аммония и хло-
рида цинка). Характеризуются невысокими энергетическими
показателями, могут эксплуатироваться при температурах от ~5
до +50 °C, имеют заметный саморазряд и невысокую герметич-
ность, плохо работают при больших токах разряда и низких
температурах. Просты и дешевы в производстве и эксплуатации,
чем обусловлено их широкое распространение. За счет совер-
шенствования технологических приемов и введения специаль-
ных ингридиентов в активные материалы достигаются дополни-
тельные градации по емкости.
1.2. Угольно-цинковые элементы и батареи с водным раство-
ром хлорида цинка. Энергетические показатели примерно в 1,5
раза выше, чем у элементов предыдущей группы. Могут экс-
72
2.2. Электрохимические системы гальванических элементов
плуатироваться при температурах от —15 до +70 °C, имеют
меньший саморазряд и лучшую герметичность, удовлетвори-
тельно работают при больших токах разряда. Дороже в произ-
водстве и в эксплуатации, но из-за лучших энергетических пара-
метров получили более широкое применение в малогабаритной
переносной аппаратуре с малыми и средними токами потребле-
ния.
2. Алкалические элементы и батареи (электрохимическая систе-
ма аналогична марганцево-цинковым элементам, но с электроли-
том в виде водного раствора гидроокиси калия) с номинальным
напряжением 1,4 В; отличаются минимальным газовыделением
при разряде. Допускают до 10—50 перезарядок асимметричным
током (см. разд. 2.5) с отдачей энергии (после перезарядки) в 3—4
раза меньше, чем у свежеизготовленного элемента. Для перезаряд-
ки могут использоваться элементы с напряжением не менее 1,1В
без дефектов герметизации корпуса и с поставкой на заряд сразу
после разряда. Хорошо работают при больших токах разряда в
диапазоне температур от —25 до +55 °C, имеют лучшую герметич-
ность и меньший ток саморазряда, чем марганцево-цинковые эле-
менты с солевым электролитом, однако дороже в производстве и
эксплуатации. При перезарядке требуется строгое соблюдение то-
кового режима и стабилизации напряжения заряда.
3. Элементы и батареи с воздушной деполяризацией (цинк-воз-
дух-гидрат окиси калия), в которых для подвода воздуха и удержа-
ния его внутри элемента используются специальные конструкция
и материалы катода. Перед началом эксплуатации необходимо
освободить отверстие воздуховода удалением специальной пробки,
обламыванием тонкостенной конусообразной трубки или удале-
нием герметизирующей (обычно цветной) пленки. Элементы и ба-
тареи с воздушной поляризацией обладают достаточно высокими
энергетическими показателями в диапазоне температур от —15 до
+50 °C. В малогабаритных пуговичных элементах положительный
электрод выполнен в виде политетрафторэтиленовой пленки с ак-
тивированным углем в качестве катализатора, а отрицательный —
из высокочистого цинка со специально обработанной поверхно-
стью.
4. Ртутно-цинковые элементы и батареи (цинк-окись рту-
ти-гидрат окиси натрия). Обладают высокими энергетическими
показателями, работоспособны только при положительных темпе-
ратурах (0 ... +50 °C), характеризуются (при малых токах разряда и
73
2. Химические источники тока (ХИТ)
постоянной температуре) практически плоской кривой разряда;
номинальное напряжение ртутного элемента примерно на 0,15 В
ниже, чем у алкалического. Практически не имеют газовыделения.
Затраты на производство и эксплуатацию весьма высоки, не реко-
мендуются к эксплуатации при низких (около нуля) температурах.
5. Серебряно-цинковые элементы и батареи (цинк-одновалент-
ное серебро-гидрат окиси калия или натрия). Работоспособность
гарантируется при температурах от 0 до +55 °C. Обладают малым
током саморазряда, хорошими энергетическими характеристиками
и (при малых токах разряда и стабильной температуре помещения)
имеют практически плоскую кривую разряда. Небольшой налет
соли (карбоната) на уплотнительном кольце после хранения суще-
ственно не влияет на работоспособность. В производстве и эксп-
луатации дороги, но высокие энергетические показатели делают
целесообразной их эксплуатацию во многих случаях, в том числе и
вместо ртутно-цинковых элементов (из-за токсичности и дефици-
та ртути).
6. Литиевые элементы и батареи с органическим электролитом с
использованием разных электрохимических систем (более десятка),
поэтому рабочее напряжение может колебаться от 3,6 до 1,5 В на
один элемент. Для бытовой аппаратуры используются элементы с
электрохимическими системами литий-хромат серебра и ли-
тий-двуокись марганца с рабочим напряжением 3 В на один эле-
мент, а с системами литий-окись меди и литий-соединение свинца
с висмутом — 1,5 В на элемент и являются взаимозаменяемыми с
серебряно-цинковыми элементами. Отличаются высокими энерге-
тическими показателями при втрое меньшей массе, чем ртутно- и
серебряно-цинковые, и в 1,5—2 раза по объему для элементов сред-
них размеров (типа элементов 316, 373). Для миниатюрных элемен-
тов емкостью до 0,2 А-ч разница в энергетических показателях су-
щественно уменьшается из-за роста относительной доли конструк-
тивных элементов по отношению к активным веществам, однако с
сохранением таких достоинств как высокая степень герметичности,
исключительно малый ток саморазряда (литиевые элементы сохра-
няют 85 % и более емкости после 10 лет хранения), возможность
хранения и работы в очень широком диапазоне отрицательных и
положительных температур, существенно меньший дефицит лития
по сравнению с серебром или ртутью, весьма малый наклон кривой
разряда, возможность выполнения в виде очень тонких дисков, что
создает ряд конструктивных удобств. Их недостатки обусловлены
74
2.2. Электрохимические системы гальванических элементов
более сложной, чем у других элементов, технологией изготовления
и высокой стоимостью эксплуатации (как у серебряно-цинковых
элементов). Высокие показатели по саморазряду и долговечности
способствуют их распространению во многих областях техники,
включая кардиостимуляторы, ПЭВМ и др.
Конструктивное оформление гальванических элементов и бата-
рей сводится к двум формам: цилиндрической и прямоугольной.
Цилиндрические элементы и батареи выполняются в виде тонких
(часто называемых пуговичными), средних и высоких цилиндров,
у которых отношение высоты к диаметру составляет 0,05 . . . 0,6;
0,7 ... 1,5; 1,5 ... 8,5. В настоящее время наибольшее распростране-
ние получили элементы типоразмера АА (R6 или LR6; 014,5 х
50,5 мм), AAA (R03 или LR03; 010,5 х 44,5 мм), R1 или LR1
(012 х 30 мм), R14 или LR14 (026,2 х 50 мм), R20 или LR20
(034,2 х 61,5 мм), 2R10 (021,5 х 74 мм), 3R12 или 3LR12 (22 х 62 х
67 мм), 6F22 или 6LF22 (17,5 х 26,2 х 49,2 мм).
Согласно рекомендациям Международной электротехнической
комиссии (МЭК) цилиндрические элементы и батареи содержат в
обозначениях:
— одну букву, определяющую электрохимическую систему
(L — алкалическая, S — серебряно-цинковая, М или N —
ртутно-цинковая);
— букву R (от английского Ring — круг), определяющую фор-
му элемента;
— число (от 03 до 600), определяющее размеры элемента.
Прямоугольные и квадратные элементы и батареи (в частности,
галетного типа) имеют в обозначении букву F (от английского
Flat — плоский), определяющую форму элемента, и одну букву,
определяющую электрохимическую систему (как у цилиндриче-
ских элементов).
Наряду с рекомендациями МЭК для обозначений используют-
ся государственные и фирменные стандарты страны-изготовителя.
Наиболее известными являются следующие стандарты:
1. Стандарт ANSI (American National Standart Institute — Амери-
канский национальный институт стандартов). Обозначение состо-
ит из двух групп символов: одной-двух букв (назначение и элект-
рохимическая система) и одной-трех цифр (габаритные размеры)
для пуговичных элементов и целого числа или дроби (отношение
75
2. Химические источники тока (ХИТ)
к исходному типоразмеру) и одной-трех букв (обозначение типо-
размера) для цилиндрических элементов.
2. Стандарт NEDA (National Electric Distributors Association —
национальная ассоциация дистрибьюторов по изделиям электро-
ники). Обозначение состоит из трех групп символов: одной-четы-
рех цифр (типоразмер элемента или батареи), одной буквы (обо-
значение электрохимической системы), нуля (обозначение особых
свойств серебряно-цинковых элементов).
3. Стандарт JIS (Japanese Industrial Standart — японский про-
мышленный стандарт). Используются две системы обозначений —
старая и -новая. В старой системе обозначение состоит из двух
групп символов: двух букв (типоразмер и электрохимическая сис-
тема), цифры и буквы (число элементов в батарее и типоразмер).
В другом варианте обозначение тоже состоит из двух групп симво-
лов: одной-двух букв (электрехимическая система), одной-двух
цифр (типоразмер). В новой системе обозначение состоит из че-
тырех групп символов: цифры (число элементов в батарее), од-
ной-трех букв (электрохимическая система и отдача) и одной-че-
тырех цифр (типоразмер, чаще всего указывается в виде шифра),
одной буквы (дополнительные данные об отдаче).
4. Стандарт DIN (Deutsche Ingenieuring Normen — немецкий
инженерный стандарт). Используется цифровая система обозначе-
ний в виде пятизначного числа и одной цифры (после косой чер-
ты). Пятизначное число обозначает типоразмер элемента (послед-
ние три цифры) и электрохимическую систему (цифра после ко-
сой черты: 1 — серебряно-цинковая, 2 — алкалическая, 3 и 4 —
ртутно-цинковые разновидностей NR и MR).
К стандартному или фирменному обозначению часто добавля-
ют буквы или целые фразы, по которым можно оценить парамет-
ры элемента. Элементы и батареи с щелочным электролитом (ал-
калические) имеют обозначение LR перед номером типоразмера и
пояснения Alka, Alkaline, Alkali Mangan, Alkaline Phis, Super Ener-
gy, Professional. Некоторые фирмы дополнительно помещают на
этикетке 5 звездочек.
Элементы и батареи Лекланше с солевым электролитом, кроме
буквы R перед номером типоразмера, могут иметь фразы Normal
или Standard или одну звездочку на этикетке.
Усовершенствованные элементы и батареи Лекланше могут
иметь такие надписи и символы: Score, Super, Plus, Power(PE), Su-
per Life, NormalDuty (ND), Extra(E), **, Super Power(S), Langer Ser-
76
2.2. Электрохимические системы гальванических элементов
vice Life, Duly Energie (DE), High Power, Heavy Duty или Higt Per-
formance, Super Dry, Computer Energy, Super Plus, *** или ****, Po-
wer Plus(PP), Top, Heavy Duty (HD), Super(S), Super Duty(SD),
ProfessionalP), King Power(K), Ultra King Power(U), Extra Long Dis-
charge Perfomance (NE), Super Heavy Duty, Super, Super Energy и др.
Отсутствие стандартизации таких обозначений, использование
одинаковых слов, фраз или аббревиатур затрудняет реальную оцен-
ку работоспособности элемента или батареи, что усугубляется час-
тыми изменениями маркировки, не всегда отражающими реаль-
ный рост качества таких изделий.
Кроме аббревиатур и словесных пояснений, многие фирмы ис-
пользуют цветовую кодировку. Эта кодировка периодически меня-
ется и в какой-то мере отражает изменение технических парамет-
ров. Оценить особенности упомянутых кодировок можно на при-
мерах ряда ведущих фирм, таких как:
1. Вегес(ФРГ). Алкалические элементы и батареи (серии LR)
выпускаются в черных корпусах с желто-золотистыми надписями
и этикеткой, а элементы и батареи Лекланше серий РР, РЕ обыч-
ной конструкции (например, R20PP, R20PE, R20) — в черных,
желто-золотистых и светло-синих корпусах с серебристой или (для
двух последних) красной этикеткой.
2. National (Япония). Литиевые элементы обычных типоразме-
ров (R20, R14 и т. п.) выпускаются в золотистых корпусах, ртут-
ные — в светло-голубых с пятью синими полосами снизу, алкали-
ческие — в светлых металлических корпусах с черной этикеткой,
элементы и батареи Лекланше серий NEO Hi-Top и Hi-Top — в
черных и красных корпусах с сиреневыми этикетками и полосами
в нижней части корпуса.
3. Philips (Нидерланды). Элементы и батареи Лекланше серий
SuperDuty(**** или SD), Heavy Duty (*** или HD) и Normal Duty
(** или ND) имеют верхнюю часть корпуса без окраски, а ниж-
нюю — черного, светло-коричневого и красного цветов соответст-
венно.
4. SAFT Mazda (Франция). Алкалические элементы и батареи
(серии LR) выпускаются в черных корпусах с желто-золотистыми
наклонными полосами, ширина которых составляет 2/3 высоты
корпуса, элементы и батареи Лекланше серий Super Plus(FP),
Plus(GS) и Standard(NR) — в черных, серебристых и красных кор-
пусах соответственно. В обозначениях элементов и батарей для
фото- и киноаппаратуры часто добавляется буква В (Bouton).
77
2. Химические источники тока (ХИТ)
5. Sunrise (Япония). Алкалические элементы (серии AM) выпу-
скаются в серебристых корпусах с черной этикеткой; элементы и
батареи Лекланше серий Super Heavy Duty (дополнительное обо-
значение N: например, UM-1N), Heavy Duty(S) и High Power
(А) — в золотистых корпусах с черной этикеткой, в синих корпу-
сах с серебристой этикеткой и в красных корпусах с золотистой
этикеткой. На всех этикетках стилизованное изображение восхо-
дящего красного солнца.
6. Toshiba (Япония). Алкалические элементы и батареи (серии
LR) выпускаются в синих корпусах, элементы и батареи Лекланше
серий Ultra King Power (дополнительное обозначение U: напри-
мер, UM-Ш), King Power (К) и Super Power (S) — в золотистых
(UM-4U и UM-5U— в черном) корпусах с серебристой зигзагооб-
разной линией в нижней части корпуса на черном, красном и зе-
леном фоне соответственно. Такой же узор в виде синей линии на
серебристом фоне и у алкалических элементов.
Малогабаритные батареи 4SR44 выпускаются в светло-зеленых
корпусах, а ртутные элементы и батареи (кроме малогабарит-
ных) — в голубых.
7. Varta (ФРГ). Серия алкалических элементов и батарей с по-
вышенной отдачей энергии Energie 2000 (4001, 4003, 4006, 4014,
4018, 4020 и 4022) выпускается в черных корпусах, серии Superdry
(3006, 3014, 3020 и 3022), Super (2006, 2010, 2012, 2014, 2020 и
2022) и Standard (1014, 1020) — в корпусах золотистого, серого и
голубого цветов соответственно.
Ртутные и алкалические элементы и батареи для фото- и кино-
аппаратуры выпускаются в черных корпусах или (при малых габа-
ритных размерах) вообще без окраски. Такую же цветовую коди-
ровку имеют элементы для слуховых аппаратов (кроме элемента
Лекланше 245 светло-серого цвета).
Литиевые окрашенные элементы имеют белый цвет с черными
надписями.
8. Wonder (Франция). Алкалические элементы и батареи (серии
KLR) выпускаются в черно-голубых корпусах, элементы и батареи
Лекланше серий Top, Standard (Viper, Ultra, Tonic и Batri) и Score
(SKO) — соответственно в коричневых (цвета какао) или фисташ-
ковых, красных с изображением головы льва в круге и красных
корпусах.
Окраска корпусов алкалических элементов и батарей обязате-
льно выполняется с применением черного цвета, малоемких эле-
78
2.3. Электрохимические системы аккумуляторов
ментов и батарей Лекланше, как правило, — красного цвета, эле-
ментов и батарей повышенной отдачи энергии — с серебристым и
золотистым фоном. В качестве дополнительных используются
красный, синий и коричневый цвета.
Кроме перечисленных, к широко известным производителям
гальванических и литиевых элементов относится также фирма Du-
racel (США) (в Европе ее заводы находятся в Бельгии). Разрабо-
танная этой фирмой технология EXRA-POWER с применением
двуокиси титана позволила существенно улучшить параметры
марганцево-цинковых элементов.
2.3. Электрохимические системы
аккумуляторов
Наибольшее распространение в аппаратуре разного назначения
получили следующие типы аккумуляторов:
1. Свинцово-кислотные (электрохимическая система — (—) РЬ |
H2SO4 | РЬО2 (+)). Первый работоспособный свинцово-кислотный
аккумулятор был создан французским ученым Г. Планте (1859 г.).
Электроды этого аккумулятора были изготовлены из листового
свинца, а сепаратором (межэлектродным разделителем) служило
полотно. Вся эта конструкция сворачивалась в спираль и вставля-
лась в сосуд с 10-процентным раствором серной кислоты. Для уве-
личения электрической емкости за счет увеличения эффективной
поверхности пластин проводились многократные циклы за-
ряд/разряд, которые занимали от 1000 часов до двух лет (впослед-
ствии пластины начали формировать гальваническим способом).
Заряд аккумулятора осуществлялся от единственно имеющихся в
то время первичных элементов (в основном это были элементы
Бунзена). Значительно увеличить емкость аккумулятора удалось К.
Фору (1880 г.) за счет нанесения на поверхность пластин окислов
свинца (так называемые намазные электроды). Год спустя Э. Фо-
лькмар предложил конструкцию электродов в виде намазной ре-
шетки, а Селлон — материал для такой решетки в виде сплава су-
рьмы и свинца.
В Кронштадте разработки конструкции аккумулятора начались
в 1881 г. и уже в 1884-м на Неве прошел испытание электрический
катер. Он мог пройти 30 миль при скорости до 6 узлов.
79
2. Химические источники тока (ХИТ)
Начиная с 1890 г., в промышленно развитых странах свинцо-
во-кислотные аккумуляторы уже выпускались серийно. Пионера-
ми в этой области были компании Electrical Power Storage Compa-
ny, VARTA (поставщик с 1900 г. стартерных аккумуляторов для за-
водов «Мерседес», «Фольксваген», «Ауди» и «Опель»), Baren
(1938 г.), FIAMM (1942 г.) и др. С появлением электростанций по-
стоянного тока понадобились мощные стационарные аккумулято-
ры в качестве буферных источников энергии в моменты пиковых
нагрузок (в 1927 г. мощность батарей таких аккумуляторов состав-
ляла 80000 кВт в Берлине и 95000 кВт в Нью-Йорке).
Свинцово-кислотные аккумуляторы характеризуются номина-
льным напряжением 2 В на элемент, 2,4 В в конце заряда и 1,8 В в
конце разряда.
2. Герметизированные свинцово-кислотные (SLA — Sealed Lead
Acid) — наиболее перспективные аккумуляторы для применения в
аппаратуре различного назначения, особенно в аппаратуре с вах-
товым обслуживанием; характеризуется количеством циклов за-
ряд/разряд N = 600—800 при саморазряде 0,1% в день; отличаются
самой низкой стоимостью; применяются в основном в устройст-
вах большой мощности, для которых массогабаритные характери-
стики несущественны (например, в блоках бесперебойного пита-
ния, охранных системах или системах резервного освещения).
Разновидностью SLA-аккумуляторов являются гелевые (gelcell) с
пониженным газовыделеннием, выполненные по технологии GEL
(Gelled Electrolite) с добавлением в электролит двуокиси кремния
для придания ему консистенции желе, а также по технологии
AGM (Absorptive Glass Mat) с пористым заполнителем из стекло-
волокна, пропитанного жидким электролитом. К недостаткам
SLA-аккумуляторов относятся невозможность быстрого заряда
(зарядный ток не более (0,1— 0,3)Q при времени заряда не менее
8—16 часов) и недопустимость глубокого разряда из-за сульфата-
ции пластин.
Производством SLA-аккумуляторов занимаются компании
VARTA, Bosch, FIAMM, Baren, Sonnenschein, входящей в группу
европейских производителей СЕАС, и др. Емкости выпускаемых
аккумуляторов находятся в диапазоне 1 — 12000 А-ч. Ведущим про-
изводителем AGM-аккумуляторов является компания FIAMM.
Как и в случае традиционных кислотных аккумуляторов заряд
SLA-аккумуляторов целесообразно проводить в так называемом
компенсационном режиме: на первом 10-часовом этапе заряд про-
80
2.3. Электрохимические системы аккумуляторов
изводится током I3 = 0,15Qh до напряжения 2,3 В, а на втором —
током I3 = 0,05Qh до напряжения 2,4 В. Поскольку SLA-аккуму-
ляторы часто используются в буферном режиме (с постоянным
подзарядом или так называемым плавающим зарядом), то здесь
уместно привести рекомендации компании Sonnenschein по тако-
му режиму: напряжение заряда должно находится в пределах от
2,3 В до 2,35 В на элемент при нормальной температуре (20°С) и
от 2,15 В до 2,55 В на элемент при изменении температуры в диа-
пазоне от —30°С до +50°С.
3. Никель-кадмиевые (NiCd); электрохимическая система —
(—) Cd | КОН | NiOOH (+); номинальное напряжение 1,2 В на
элемент, в конце заряда — около 1,5 В (зависит от времени эксп-
луатации); отличаются практически полным отсутствием газовы-
деления, простотой обслуживания, низким внутренним сопротив-
лением, обеспечивающим способность отдавать большой ток в
относительно короткие промежутки времени (20—40 А при Q =
2400 мА-ч), работоспособностью в широком интервале рабочих
токов заряда, разряда и температур окружающей среды (допусти-
мый ток разряда составляет (0,2—2)Q, диапазон рабочих темпера-
тур — от —40° до +50 °C), высокой нагрузочной способностью
даже при низких температурах, возможностью быстрой и простой
зарядки в любом режиме при N > 1000 циклов, возможностью
восстановления после понижения емкости или длительного хра-
нения, повышенной пожаро- и взрывобезопасностью, устойчиво-
стью к механическим нагрузкам; низкой ценой, длительным сро-
ком службы и широкой доступностью в любом ассортименте по-
требительских формфакторов. Недостатками NiCd-аккумуляторов
являются сравнительно высокий саморазряд (до 10% в течение
первых суток после зарядки), большие габариты по сравнению с
аккумуляторами других типов при одинаковой емкости, проблемы
утилизации (кадмий по токсичности не уступает ртути) и «эффект
памяти», заключающийся в том, что в процессе эксплуатации ме-
няется структура поверхности электродов и в сепараторе (перего-
родка между анодом и катодом) образуются химические соедине-
ния, препятствующие дальнейшей разрядке малыми токами. Для
исключения этого недостатка очередной цикл зарядки необходи-
мо проводить после полной разрядки (до 0,95—1 В при минима-
льном токе в конце разряда); по этой же причине хранить
NiCd-аккумуляторы целесообразно в разряженном состоянии.
81
2. Химические источники тока (ХИТ)
Внутреннее сопротивление NiCd аккумуляторов достаточно
мало. Например, для аккумуляторной батареи Д-0,125Д на частоте
25 Гц оно составляет 0,5 Ом, на частоте 800 Гц — 0,4 Ом и на час-
тоте 4000 Гц — 0,32 Ом; для аккумулятора емкостью 1,5 Ач оно
составляет 0,015 Ом; по мере разряда аккумулятора его внутреннее
сопротивление увеличивается [7].
При разряде отдаваемая емкость NiCd аккумуляторов зависит
от тока разряда: согласно экспериментальным данным [7], при
разряде до 1 В током IP = 1QH аккумулятор КН-10 отдает только
40—45% номинальной емкости, при дальнейшем уменьшении 1р
до 0,5Qh '(разряд опять до 1 В) отдаваемая емкость увеличивается
на 40%, при дальнейшем уменьшении 1Р до 0, 125Qh отдаваемая
емкость увеличивается еще на 15—20% и только при последующем
уменьшении 1Р до 0,0 IQh отдаваемая емкость приближается к
100%.
4. Никель-металлгидридные (NiMH); отличаются от NiCd «эко-
логичным» анодом на основе специального сплава (вместо кад-
мия) и новым катодным материалом на основе гидрата закиси ни-
келя с войлочной основой; обладают высокой удельной энергией
по массе и объему (емкость в 1,5—2 раза больше, чем у NiCd тех
же габаритов), имеют меньший «эффект памяти»; устойчивы к
длительному перезаряду малыми токами, уступая NiCd по уровню
тока отдачи ((0,2—0,5)Q), по числу циклов заряд-разряд (почти в 2
раза), по рабочему диапазону температур (от -10 до +40°С), по
возможности быстрого заряда из-за недопустимого разогрева
(время заряда в 2 раза больше), по саморазряду (в 1,5—2 раза
выше). NiMH- и NiCd-аккумуляторы полностью взаимозаменяе-
мы, если нет особых требований по условиям эксплуатации.
5. Литий-ионные (Li-Ion); при сопоставимой массе одного эле-
мента имеют большую емкость по. сравнению с NiCd (в 4—5 раза),
NiMH (в 3—4 раза) и имеют более высокое напряжение на одном
элементе (3,6 В, что в три раза выше, чем у NiCd и NiMH). Одна-
ко химическая активность лития существенно осложняет техноло-
гические процессы изготовления и предъявляет весьма высокие
требования к герметичности источника, поскольку при его разо-
греве до температуры плавления лития (при зарядке или коротком
замыкании) и его бурного взаимодействия с электролитом может
произойти взрыв. Например, в 2003 году по этой причине постра-
дало около 20 пользователей мобильных телефонов Nokia. Для по-
вышения безопасности вместо металлического лития используют
82
2.3. Электрохимические системы аккумуляторов
его соединения с другими металлами в оксидах (кобальта оксид,
серы оксид, никеля оксид, марганца оксид). Наиболее изученны-
ми и технологически отработанными являются элементы на осно-
ве литий/марганца оксидов, поэтому они самые доступные по
цене. Их емкость ниже, чем у материалов на основе кобальта, но
они дешевле и не требуют сложного контроллера для управления
зарядом-разрядом. Элементы на основе литий/никель оксидов
имеет более высокую емкость, но они труднее в изготовлении и
менее безопасны. Поэтому в аккумуляторах большой емкости ис-
пользуют смешанные оксиды кобальта и никеля (20—30% нике-
ля); такие элементы характеризуются высоким выходным напря-
жением (3,6 В), широким диапазоном температур (от —55 до
+85°С). Для повышения безопасности в конструкцию элемента
вводят предохранитель-ограничитель тока (терморезистор), не до-
пускающий токовых перегрузок. К упоминавшимся достоинствам
Li-Ion-аккумуляторов следует добавить: малый саморазряд (при
20°С — около 3% в год), длительный срок службы (до 10 лет), бо-
льшое количество циклов заряд-разряд (более 1000). Недостатка-
ми Li-Ion-аккумуляторов являются высокая цена, сокращение
срока службы при повышенной температуре, нежелательность глу-
бокого разряда и перезаряда.
6. Литий-полимерные (Li-Pol); основное отличие от аккумуля-
торов Li-Ion заключается в использовании твердого полимерного
электролита (полимерного геля) в виде пластиковой пленки с
ионообменными свойствами, фактически заменяющей традицион-
ный пористый сепаратор, пропитанный электролитом. Такая кон-
струкция упрощает процесс изготовления, более безопасна и по-
зволяет производить тонкие аккумуляторы произвольной формы,
однако пока — только в лабораторных условиях; промежуточные
решения — с жидким гелевым электролитом — уже достаточно на-
дежны и применяются довольно широко.
7. Топливные элементы (ТЭ) осуществляют прямое превраще-
ние энергии топлива в электричество, минуя низкоэффективные
процессы горения и последующего преобразования тепловой
энергии в механическую и т. д. Открытие водородно-кислородно-
го топливного элемента (1838 г.) принадлежит английскому учено-
му У. Грову. Исследуя разложение воды на водород и кислород он
обнаружил побочный эффект: при электролизе вырабатывался
электрический ток. Впервые идея использования ТЭ в большой
энергетике была сформулирована немецким ученым В. Освальдом
83
2. Химические источники тока (ХИТ)
в 1894 г. В 1958 г. в Англии Ф. Бэкон создал первую кислород-
но-водородную установку мощностью 5 кВт. Первое практическое
применение ТЭ нашли на космических кораблях «Аполлон» для
питания бортовой аппаратуры и обеспечения космонавтов водой и
теплом. Кроме того, в разных районах США испытываются небо-
льшие энергетические установки мощностью по 40 кВт с коэффи-
циентом использования топлива около 80%; около сотни таких
установок уже проработали в общей сложности сотни тысяч часов.
Наряду с генерацией электричества они могут нагревать воду до
130°С и размещаются в прачечных, спортивных комплексах, на
пунктах' связи и других местах, т. е. экологическая чистота элект-
ростанций на ТЭ позволяет размещать их в непосредственной
близости от потребителя.
Другое направление применения ТЭ — малогабаритные источ-
ники питания — находится сейчас в процессе поиска приемлемых
технических решений и разработки макетных образцов. Так, ком-
пания Motorola ведет разработку такого элемента с использовани-
ем реакции метилового спирта (метанола) с кислородом. Корпора-
ция Toshiba одной из первых объявила о выпуске портативного
метанолового элемента DMFC (Direct Metanol Fuel Cell), в кото-
ром кислород и водный раствор метанола разделены мембра-
ной-катализатором, одна сторона которой выступает в роли като-
да, другая — анода. Вступая в реакцию с анодным слоем, метанол
ионизируется, его электроны создают ток, а положительно заря-
женные ионы взаимодействуют с кислородом, в результате чего
выделяется вода. Инженерам Toshiba удалось доказать, что их ис-
точник обеспечивает примерно в 5 раз более высокую эффектив-
ность по сравнению с литий-ионными аккумуляторами тех же
размеров. Чтобы зарядить такой аккумулятор, в него достаточно
поместить небольшой картридж с метанолом, размером и формой
напоминающий зажигалку. Кроме Toshiba и Motorola, разработкой
новых топливных элементов (в частности, на базе водорода) зани-
маются Sony, Casio, Hitachi, NEC, а также автомобильные концер-
ны Toyota, Honda, Daimler Chrysler, Ford и др.
Типоразмеры малогабаритных аккумуляторов в большинстве
случаев аналогичны гальваническим элементам и их можно разли-
чить лишь по надписи Rechargeable (перезаряжаемый), значению
номинальной емкости (для гальванических элементов этот пара-
метр не приводится) и рекомендуемым режимам заряда (14-16-ча-
84
2.4. Моделирование никель-кадмиевых аккумуляторов
совой при при I3 = O,1QH или (для NiCd) 5-часовой при 13 =
0,25QH).
2.4. Моделирование разрядной
характеристики никель-кадмиевых
аккумуляторов
Разрядная характеристика таких аккумуляторов описывается
следующей эмпирической зависимостью [7]:
U = Е + Е1-ехр(—3I t/O,2Q) + Е2( 1 - I-t/1,2Q) - Е3{ 1 + р[1 -
- exp(-aI/(l,2Q - I t))]}, (2.3)
где Е = 1,2...1,28 В — напряжение разряженного ненагруженного ак-
кумулятора; Е1, Е2 — падения напряжения на аккумуляторе при раз-
рядном токе I и отдаче 0,2 и 1,2 части номинальной емкости Q соот-
ветственно; ЕЗ — падение напряжения на внутреннем сопротивлении
аккумулятора; р, a — коэффициенты, определяемые из формул:
Е = Е3(1 + р); Е4= Е3{ 1 + р[1 - ехр(-aI4/l,2Q)]}, (2.4)
где Е4 — падение напряжения на внутреннем сопротивлении ак-
кумулятора при разрядном токе 14 = Q; в частности, для аккуму-
лятора КН-10 (Q = 10 А час) в [7] получено: р = 30; a = 0,26 час;
другие данные для этого аккумулятора [7]: Е1 = 0,12 В; Е2 —
= 0,06 В; ЕЗ = 0,04 В.
Введем понятие постоянной времени аккумулятора т = Q/I,
численно равной времени работы аккумулятора при разрядном
токе I. Кроме того, учитывая приближенность формулы (2.3), при-
мем: Е = р-ЕЗ (поскольку р >> 1); Е = 1,2 В; четвертое слагаемое в
(2.3) представим в виде первых двух членов разложения в ряд
Маклорена:
Е3{ 1 + р[1 - ехр(—aI/(l,2Q - Lt))]} = ЕЗ + Е -
- Еехр(—aI/(l,2Q - Lt) » ЕЗ + Е — Е(1 — а/(1,2т - t) = ЕЗ +
+ аЕ/(1,2т - t) = ЕЗ + [(аЕ2/1,2т)/(Е - Е-t/l ,2т)].
При таких допущениях формула (2.4) преобразуется к виду,
удобному для подготовки модели в среде EWB [2]:
U = Е + ELexp(—t/0,066x) + Е2 - E2-t/l,2x - ЕЗ -
- [(схЕ2/1,2т)/(Е - E t/l,2x)], (2.5)
85
2. Химические источники тока (ХИТ)
Рис. 2.1. Схема модели аккумулятора
Проведем моделирование для случая I = 0,1Q, т. е. для рассмат-
риваемого аккумулятора т — 100 час. Выберем масштаб времени
1 час = 1 мс, при этом а = 0,26-10~3 с и т = 0,1 с.
Реализация слагаемых выражения (2.5) в модели на рис. 2.1 с
учетом полярности источников напряжения относительно общей
шины осуществляется следующим образом:
— первое слагаемое передается на выход сумматора на опера-
ционном усилителе (ОУ) 2 с коэффициентом передачи
-R3/R1 = -1, т. е. UE = —Е(—1) = Е;
— второе слагаемое —El exp(—t/R4 Cl) формируется на сопро-
тивлении резистора R4 и через повторитель на ОУ 1 (осцил-
лограмма В на рис. 2.2) передается на выход сумматора с ко-
эффициентом передачи —R3/R2 = —1, т. е. UE) =
El exp(—t/R4-Cl); при выбранном сопротивлении резистора
R4 = 106 Ом емкость конденсатора определяется из очевид-
86
2.4. Моделирование никель-кадмиевых аккумуляторов
ного соотношения R4C1 = 0,066т = 0,0066с, т. е. CI =
0,0066/106 - 66-Ю-10 Ф = 6,6 нФ;
— третье слагаемое —Е2 передается на выход сумматора с ко-
эффициентом передачи —R3/R5 = — 1, т. е. UE2 = Е2;
— четвертое слагаемое формируется интегратором на ОУ с ко-
эффициентом передачи — 1/R7-C2; выходное напряжение ин-
тегратора (—Е2)(—t/R7 C2) = E2 t/R7 C2 (осциллограмма А
на рис. 2.2) передается на выход сумматора с коэффициен-
том передачи -R3/R8 = -1, т. е. UE2t = ~ E24/R7-C2; при
выбранном сопротивлении резистора R7 = 106 Ом емкость
конденсатора определяется из соотношения R4 C1 = 1,2т =
0,12с, т. е. С1 = 0,12/106 = 12-10“8 Ф = 120 нФ;
— пятое слагаемое ЕЗ передается на выход сумматора с коэф-
фициентом передачи —R3/R6 = — 1, т. е. UE2 = —ЕЗ;
— числитель шестого слагаемого формируется перемножителем
4 с коэффициентом передачи а/1,2т = 0,26-10~3/0,12 «
0,000216 и передается на Y-вход делителя 5; знаменатель
этого слагаемого формируется сумматором на ОУ 7, на один
вход которого (через R13) подается -Е, а на второй (через
R11) — — Е(—t/R10-C3) = E(t/R10 C3) с выхода интегратора
на ОУ 6, параметры хронирующей R10C3-nenn которого
аналогичны интегратору на ОУ 3; поскольку для этих со-
ставляющих коэффициент передачи сумматора —R12/R11 =
-R12/R13 = —1, то на его выходе формируется сигнал Е —
E t/RlO-СЗ, который подается на Х-вход делителя 5; выход-
ной сигнал делителя передается на выход сумматора на ОУ
2 с коэффициентом передачи -R3/R9 = -1, т. е. =
- [(осЕ2/1,2т)/(Е - Е4/1,2т)] = —[0,000216Е2/(Е - E-t/
R10-C3)].
Таким образом, схема модели на рис. 2.1 соответствует ее ана-
литическому описанию, т. е. выражению (2.5). Разрядная кривая
аккумулятора для рассматриваемого случая (I = 0,1Q) представле-
на осциллограммой А на рис. 2.3, из которой видно, что в момент
t = 0 напряжение на аккумуляторе составляет VA1 = 1,3356 В, за-
тем через время, примерно равное 0,066т, по экспоненте выходит
на линейно изменяющийся участок, определяемый в основном
четвертым слагаемым формулы (2.5). В конце разряда (t = 1,2т »
Т2 = 119,93 мс) резко возрастает влияние шестого слагаемого фор-
мулы (2.5) (см. осциллограмму В на рис. 2.3 и значение VB2 в точ-
87
2. Химические источники тока (ХИТ)
Рис. 2.2. Осциллограммы четвертого (А) и второго (В)
слагаемых
Рис. 2.3. Осциллограммы разрядной характеристики (А)
и шестого слагаемого (В)
88
2.5. Зарядное устройство для аккумуляторов
кс установки визирной линейки 2), в результате чего напряжение
на аккумуляторе резко падает до U = VA2 = 715,46 мВ. Дальней-
ший ход разрядной характеристики (при t > 1,2т) не соответствует
действительности и по идеи программа должна остановиться, по-
скольку в шестом слагаемом при t = 1,2т происходит деление на
нуль. Однако это наблюдается только в случае, если числитель
а/1,2т на порядок-два больше используемого.
2.5. Зарядное устройство для малогабаритных
аккумуляторов
Для большинства типов аккумуляторов используются следую-
щие способы заряда:
1. Заряд постоянным током величиной 0,1-Q в течение 14—15
часов (см. разд. 2.1); такой способ, называемый иногда капель-
ным, применяется при заряде нового аккумулятора и обеспечивает
максимальное значение емкости.
2. Заряд постоянным током величиной (1—2)Q с предваритель-
ным разрядом до минимально допустимого (1 В для NiCd- и
NiMH-элементов) при пропорциональном уменьшении времени
заряда и контроле температуры.
3. Заряд током, многократно превышающим 0,1Q, и автомати-
ческим прекращением заряда при достижении на аккумуляторе за-
данного порогового напряжения (1,45...1,55 В для NiCd- и NiMH,
зависит от температуры и «возраста» аккумулятора) с последую-
щим дозарядом малым током (0,1Q и менее).
4. Контроль заряда по скорости роста напряжения на аккуму-
ляторе, которая быстро увеличивается непосредственно перед ее
завершением и при фиксации этого момента — переход от боль-
шого тока заряда (до 2Q) до малого (как в п. 3). Для реализации
такого способа разработана специализированной микросхемы
U2402В; для фиксации 1%-го скачка напряжения может быть так-
же использован АЦП ТЕА1100 фирмы Philips.
5. Заряд с восстановлением емкости аккумулятора; такой метод
используется почти полстолетия и заключается в применении
асимметричного тока заряда, при котором соотношение зарядного
и разрядного тока составляет около 10:1.
89
2. Химические источники тока (ХИТ)
В качестве примера реализации методов заряда 9-вольтовых ак-
кумуляторов согласно п. 3 и 5 рассмотрим схему источника пита-
ния цифрового мультиметра В7-41 на интегральном стабилизаторе
LM317 (рис. 2.4). Выпрямитель источника выполнен по двухполу-
периодной схеме с нулевой точкой на диодах Д1, Д2. Диод Д4 слу-
жит для защиты LM3I7 от разряда конденсаторов СЗ и С4, а Д5
совместно с Д4 — для защиты от разряда конденсатора СЗ, приме-
нение которого позволяет существенно (почти на порядок) сни-
зить пульсации выходного напряжения.
Регулировка выходного напряжения производится резистором
R3 и устанавливается равным 11,3 В из расчета, что максимальное
напряжение в конце заряда на семиэлементном аккумуляторе
7Д-0Д25Д составляет 7 х 1,5 = 10,5 В, а оставшиеся 0,8 В падают
на светодиоде Д6, при котором ток последнего минимален вслед-
ствие известного свойства его вольтамперной характеристики
(ВАХ). Таким образом, в положении 3 (Заряд) тумблера Т заряд
аккумулятора на первом этапе происходит в форсированном ре-
жиме (см. п. 3) и по мере увеличения его напряжения зарядный
ток уменьшается вследствие нелинейности ВАХ Д6, переводя в
конце заряда аккумулятор в буферный режим работы. Заметим,
что использование вместо светодиода обычного диода дает лучшие
результаты из-за более резкого излома его ВАХ при напряжении
0,4—0,5 В (диод можно включить последовательно со светодио-
дом). Поскольку напряжение аккумулятора в конце заряда из-за
его старения может отличаться от 1,5 В на элемент, то при налад-
ке необходимо это проверить и установить резистором R3 соответ-
ствующее значение выходного напряжения стабилизатора.
В положении ЗВ (Заряд с восстановлением) тумблера Т заряд
аккумулятора производится от однополупериодного выпрямителя
Рис. 2.4. Схема стабилизированного источника питания
90
2.5. Зарядное устройство для аккумуляторов
на ДЗ через ограничительный резистор R1 (240 Ом — для аккуму-
лятора емкостью 0,25 А-ч, и 470 Ом — для 0,125 А-ч). При отрица-
тельной полуволне напряжения на верхней половине вторичной
обмотки трансформатора Тр через R1 и С2 производится разряд
аккумулятора, чем и достигается выполнение п. 5.
Рассмотрим более сложное зарядное устройство (ЗУ) (рис. 2.5 и
2.6). Оно выполнено на базе коммутационной системы и блока
питания ЗУ модели HWBC1 китайского производства для NiCd- и
NiMH-аккумуляторов типа ААА (286), АА (316), С (343), D (373),
6F22 (с цоколевкой 7Д-0Д25Д).
Блок питания устройства вынесен из HWBC1 и размещен в
пластмассовой коробочке из-под ЗИПа для одного из отечествен-
ных приборов (см. фото на рис. 2.5); он содержит (см. рис. 2.6) си-
ловой трансформатор Тр, вторичные обмотки которого с помо-
щью переключателя П1 (типа ПД13-1) коммутируются таким об-
разом, что в положении А6В обмотка 3 подключается к диодному
мосту ДМ2, выходное напряжение которого (около 6 В) использу-
ется для зарядки на постоянном токе параллельно включенных ак-
кумуляторов. При этом обмотки 1 и 2 подключаются к дополните-
льному мосту ДМ1 (на диодах КД102А), выходное напряжение ко-
торого (около 10 В) поступает на ИМС стабилизатора КР142ЕН1А
и используется для питания блоков контроля БК1—БК4 стабили-
зированным напряжением 5 В (устанавливается резистором R1).
В положениях 12В и 17В мост ДМ 1 отключается, все обмотки
включаются последовательно и на выходе ДМ2 формируется на-
пряжение 12 или 17 В, которое в положении 1=] тумблера Т2 ис-
пользуется для зарядки на постоянном токе последовательно
включенных аккумуляторов АА, ААА и т. п. или одного аккумуля-
тора типа 7Д-0Д25Д, а в положении [^ — в режиме восстановле-
Рис. 2.5. Фотография зарядного устройства
91
2. Химические источники тока (ХИТ)
ния асимметричным током, формируемым в результате использо-
вания цепочки Д1-С4 вместо ДМ2.
Блок питания (БП) соединяется с зарядным устройством в точ-
ках А. Б и В с помощью контактных пар разных диаметров и на-
правлений (контакт-гнездо и наоборот) от старых разъемов. Во
всех режимах работы БП зарядный ток устанавливается резистора-
ми R7 (Точно), R8 (Грубо) и контролируется стрелочным прибо-
ром М476 от магнитофона, у которого мнемоническая шкала
уровня записи (или воспроизведения) заменена на отпечатанную
на принтере равномерную шкалу на 25 делений. Пределы измере-
ния тока — 750 или 75 мА — устанавливаются переключателем П2
(типа ПД13-1) путем изменения добавочного резистора (R10 или
R11) при измерении падения напряжения на резисторе R9 (1 Ом),
включенном последовательно в цепь заряда аккумуляторов.
В положении Р (Разряд) переключателя П2 и Рт?] переключа-
теля ПЗ (параллельное включение аккумуляторов) в режиме А6В
производится разряд аккумуляторов типа АА, ААА и т. п. до уров-
ня 0,95—1 В, устанавливаемого делителем R3-R5, а в положении
750 — заряд указанных аккумуляторов до уровня 1,45—1,5 В, уста-
навливаемого делителем R2-R4 (используемые в схеме подстроеч-
ные резисторы — проволочные типа СП5-16ВА). Указанные уров-
ни напряжения подаются на инвертирующие входы всех 4-х опе-
рационных усилителей (ОУ) (ИМС четырехканального ОУ
К1401УД2), выполняющих роль компараторов в блоках контроля
БК каждого аккумулятора. На неинвертирующие входы соответст-
вующих ОУ через защитный резистор R16 поступают напряжения
с аккумуляторов Ак1—Ак2. Заряд каждого из этих аккумуляторов
в режиме 1т£т~| производится через диоды Д2—Д5, которые упро-
щают коммутацию аккумуляторов при переходе из параллельного
в последовательное включение (положение @00 переключателя
ПЗ), защищают их от разряда при выключении сети, а также вы-
полняют роль индивидуального регулятора тока заряда каждого
аккумулятора в соответствии с нелинейным участком вольтампер-
ной характеристикой диода: с увеличением напряжения на акку-
муляторе ток заряда уменьшается.
В режиме L£rl с переключателя ПЗг на катод защитного дио-
да Д6 поступает положительное запирающее напряжение через
схему ИЛИ на диодах Д8 (в режиме разряда) и Д9 (в режиме заря-
92
2.5. Зарядное устройство для аккумуляторов
да), исключающее его влияние на работу БК. В режиме №F катод
Д6 во всех БК заземляются через резистор R21, в результате чего
напряжение на неинвертирующем входе каждого ОУ фиксируется
на безопасном уровне за счет цепи ограничения на Д6 и R16.
В режиме контролируемого заряда (в положениях А6В, 750 и 4,
3, 2 переключателей П1, П2 и П4 соответственно) положительное
напряжение на неинвертирующем входе каждого ОУ меньше на-
пряжения на его инвертирующем входе (+1,5 В), поэтому на его
выходе формируется сигнал логического нуля. При этом на выхо-
де инвертора U2 (1/6 ИМС 564ЛН2) формируется сигнал логиче-
ской 1, что соответствует закрытому состоянию ключей на транзи-
сторах Т2 (1/4 транзисторной сборки КТС622А) и ТЗ (1/4 транзи-
сторной сборки К1НТ251). Поскольку в положении 750 с секции
П2в на один вход элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ U3 (1/4
ИМС 564ЛП2) поступает сигнал логического 0, то на его выходе
Рис. 2.6. Схема зарядного устройства
93
2. Химические источники тока (ХИТ)
формируется также сигнал 0 и, следовательно, на выходе ИЛИ НЕ
U5 (1/2 ИМС 564ЛЕ6) формируется сигнал логической 1, который
блокирует работу автоколебательного мультивибратора на U4 (вто-
рая половина ЛЕ6) и инверторе U1 (1/6 ЛН2), выход которого че-
рез эмиттерный повторитель на транзисторе Т1 (КТ645А) подклю-
чен к громкоговорителю Гр (наушник ТМ-28 от слухового аппара-
та). Работа мультивибратора может быть заблокирована также
переключателем П5 (типа ПД9-1); на рис. П6.2 он показан имен-
но в этом положении, при котором сигнал логической 1 поступает
на один из входов U4 через резистор R23.
При'приближении напряжения на одном из заряжаемых акку-
муляторов к уровню +1,5 В начинает срабатывать ОУ и на его вы-
ходе формируется сигнал логической 1, в результате чего деблоки-
руется мультивибратор и открываются ключи на Т2, ТЗ, что со-
провождается миганием светодиода Д7 (типа отечественного
АЛ307Б), предусмотренного конструкцией HWBC1 для каждого
аккумулятора (см. фото), и подачей прерывистого звукового сиг-
нала. При достижении на одном из заряжаемых аккумуляторов на-
пряжения + 1,5 В звук становится непрерывным (частота около
250 Гц), а свечение светодиода — постоянным. Заметим, что пре-
рывистый режим работы ОУ объясняется возрастающими шумами
аккумулятора при приближении к «заветному» уровню и его час-
тичному разряду через резистор R20 при открытом ключе на Т2.
В режиме контролируемого разряда (в положениях А6В, Р и 4
переключателей П1, П2 и П4 соответственно) положительное на-
пряжение на неинвертирующем входе ОУ (около +1,2 В) больше
напряжения на его инвертирующем входе (+1 В), поэтому на его
выходе формируется сигнал логической единицы. При этом на
выходе U2 формируется сигнал логического 0, что соответствует
открытому состоянию ключей на Т2 и ТЗ, при котором «загорает-
ся» светодиод Д7, а к аккумулятору параллельно подключается ре-
зистор R20, чем обеспечивается ток его разряда около 3 мА. По-
скольку в положении Р с секции П2г на один вход элемента U3
поступает сигнал логической 1, то на его выходе формируется сиг-
нал 0, который через U5 блокирует работу мультивибратора. Когда
в конце разряда напряжение на аккумуляторе (на неинвертирую-
щем входе ОУ) достигает значения +1 В, то на выходе ОУ форми-
руется сигнал логического 0, что сопровождается миганием свето-
диода Д7 и деблокированием мультивибратора (подается звуковой
сигнал). В положениях 3 и 2 переключателя П4 неинвертирующие
94
2.5. Зарядное устройство для аккумуляторов
входы ОУ (точки У4 и УЗ) и входы переключения полярности эле-
ментов ЛП2 в БК4 и БКЗ заземляются (ЛП2 — через R22), в резу-
льтате чего исключается звуковая и визуальная сигнализация при
разряде 3-х и 2-х аккумуляторов.
Режим разряда может быть осуществлен также изменением по-
лярности включения аккумуляторов (конструкция контактной си-
стемы HWBC1 позволяет это сделать). При этом возможны два ва-
рианта разряда: при подключенном или отключенном блоке пита-
ния. При первом варианте разряд может производиться как
постоянным, так и асимметричным током. Второй вариант возмо-
жен благодаря тому, что ЗУ соединяется с блоком питания через
контактные группы Б-В одинакового диаметра, но разного на-
правления (так называемые папа-мама), что позволяет замкнуть
входы ЗУ по зарядному напряжению. В обоих случаях установка
разрядного тока производится резисторами R7, R8 и контролиру-
ется прибором М476. При втором варианте разряд возможен и без
изменения полярности включения аккумуляторов, однако в этом
случае необходим переключатель (типа Т2) полярности прибора.
Во всех рассмотренных вариантах контроль напряжения на акку-
муляторах производится пользователем с помощью вольтметра.
Эти два режима разряда целесообразно использовать на начальном
этапе, когда требуется использовать сравнительно большие токи
разряда, которые нельзя реализовать в автоматическом режиме
(через R20 и ТЗ).
При последовательном включении аккумуляторов (положение
@Й0 переключателя ПЗ) используются режимы 12В, 17В блока пи-
тания. При этом заряд аккумуляторов производится, в зависимо-
сти от положения тумблера Т2, как в режиме постоянного, так и
асимметричного тока. Количество заряжаемых аккумуляторов в
этом случае (4, 3 или 2) выбирается переключателем П4 (типа ПД
13-1). Для зарядки и разряда аккумуляторной батареи типа
7Д-0Д25Д используется одна контактная группа 9В (место второй
контактной группы использовано под П2).
Поскольку переключатель П4, определяющий количество заря-
жаемых или разряжаемых аккумуляторов (2, 3 или 4), имеет толь-
ко три положения, то в случае одного аккумулятора второй заме-
няется его фантомом в виде металлической трубки, старым акку-
мулятором или сухим элементом АА или ААА с закороченным
выводами.
95
2. Химические источники тока (ХИТ)
Практика использования восьми NiMH аккумуляторов компа-
нии Camelion емкостью Q = 1800 и 2000 мА ч в течение двух лет
при токе нагрузки 47 мА (КПК Psion 5mx) показывает, что после
первых 10 циклов заряд-разряд на постоянном токе при токе заря-
да 0,1Q отдаваемая емкость составляла в среднем около 1100 мА-
час, а через два года она снизилась до 300 мА ч, вероятно из-за си-
стематических недоразрядов. Использование асимметричного тока
зарядки значением 0,1Q с использованием Д 1-С4-цепочки позво-
лила увеличить отдаваемую емкость почти в три раза без предва-
рительной разрядки аккумуляторов. Заметим, что конденсатор С4
может быть заменен резистором сопротивлением 300—400 Ом.
Правда, в этом случае эффективность восстановления, как показа-
лось авторам, несколько ухудшается. В общем же случае эффек-
тивность восстановления зависит от многих факторов и требует
индивидуальных настроек [7].
96
3. Система охранной сигнализации
В общем случае такие системы являются одной из составных
частей обеспечения безопасности охраняемых объектов (кварти-
ры, предприятия, банка, офисного помещения и т. п.) с учетом их
местоположения и окружающих их зданий, ценности оборудова-
ния, хранимых денежных средств и информации, с учетом нали-
чия противопожарных средств и требуемых видов сигнализации,
их надежности, с учетом необходимости в страховании имущества,
в средствах контроля несанкционированного доступа к каналам
связи и специальных служб безопасности с соответствующими ин-
струкциями по их работе в экстремальных ситуациях и многое
другое. К чисто техническим средствам обеспечения безопасности
относятся [11]:
1. Технические средства первого уровня:
1.1. Входные стальные двери с глазком, двумя замками разных
систем, дополнительной третьей петлей и анкерным креплени-
ем ее рамы (металлические штыри, вмонтированные в стену
дверного проема на глубину 10—12 см с последующей привар-
кой к раме).
1.2. Дверной глазок с углом обзора не менее 170 °C откидываю-
щейся с внутренней стороны защитной крышкой или простей-
шее видеоконтрольное устройство.
1.3. Замки; определяющим фактором при выборе замка (на-
кладного или врезного) является степень его защищенности.
Накладные замки меньше ослабляют полотно двери, чем врез-
ные, однако многоригельныс врезные замки обеспечивает вы-
сокую устойчивость против взлома, поскольку ригели (подвиж-
ные запирающие элементы замка) фиксируют запертую дверь в
четырех направлениях: с боков, сверху и снизу. Наибольшей
степенью защищенности против отмычек являются замки с ци-
линдровыми механизмами повышенной секретности, в частно-
сти, замки Волжского автомобильного завода. Особой ориги-
нальностью отличается цилиндровый механизм HYDRA фирмы
TrioVing с тремя комплектами ключей. Первый комплект ис-
пользуется до тех пор, пока не возникло подозрение или уве-
ренность, что дубликаты ключей попали в чужие руки. В этом
случае используется второй комплект, при этом цилиндровый
механизм HYDRA автоматически подстраивается под новый
97
3. Система охранной сигнализации
комплект с исключением такой подстройки для предыдущего.
Для повышения степени защиты механические замки дополня-
ются кодовыми устройствами с ручным набором кода или ис-
пользованием программируемых карточек. Такие устройства
при необходимости строгого контроля могут быть подключены
к системам сигнализации и охраны, регистраторам времени по-
сещения помещения и т. п.
1.4. Металлические решетки (с креплением их рам и петель,
аналогичным используемым для дверей), устанавливаемых с
внутренней и наружной стороны окон, расположенных в неос-
вещенных местах или с плохо просматриваемой стороны зда-
ния, а также в наиболее доступных местах (подвалы и первые
этажи, вблизи пожарных лестниц и т. п.). Для закрывания ре-
шеток используются навесные замки и в ответственных случа-
ях — магнитные (герконовые) или поводковые (из тонкого про-
вода) датчики вскрытия.
1.5. Защитные решетки на вентиляционных каналах, освети-
тельных шахтах подвалов и других местах инженерной сети.
1.6. Механические средства охраны периметра стационарного
(капитального) типа (для предприятий) или монтируемые (и
легко демонтируемые, например, для временных выставок). Та-
кие средства имеют «благородный» эстетичный внешний вид и
часто используются в качестве элементов датчиков охраны, на-
пример, емкостного типа.
1.7. Переговорные устройства (аудио домофоны) в сочетании с
управляемым электрическим замком на входной двери офиса,
подъезда и др., исключающие непосредственный контакт с не-
знакомым посетителем; для таких устройств используются от-
дельные проводные линии связи, бепроводные или силовая
сеть переменного тока (например, переговорное устройство WI
фирмы СОММАХ).
1.8. Входная двухдверная камера-шлюз с электрическими зам-
ками, позволяющая задержать злоумышленника (используется
в некоторых банках).
2. Технические средства второго уровня:
2.1. Системы охранной сигнализации — фиксируют факт не-
санкционированного доступа на охраняемую территорию с
формированием сигнала тревоги и передачи его на пульт охра-
ны и исполнительные устройства. Такие системы содержат дат-
чики, резервный источник питания и пульт-концентратор для
98
обработки информации по заданному алгоритму, обеспечения
автоматической связи с городским (районным) пультом охраны
для передачи сигналов тревоги и приема команд и возможно-
стью подключения исполнительных устройств (включение си-
рены, мигающего света, графической панели с планом помеще-
ний, системы подсветки, принтера для регистрации времени,
места и характера нарушения).
Датчики могут объединяться в зоны для контроля определенно-
го объекта или его участка с использованием:
— пассивных инфракрасных датчиков движения, срабатываю-
щих при попадании движущегося объекта, излучающего теп-
ло (например, человека или животного), в зону их чувстви-
тельности; самым простыми являются датчики Bravo-2 фир-
мы DSC и Paradox Light фирмы PIROTEC, наиболее
сложными, учитывающими, например, массу объекта, — Pa-
radox Vision-510 и UP350 фирмы Alarmcom;
— датчиков разрушения стекла, регистрирующих звук от удара
по стеклу (в однопороговых), а также звон разбиваемого
стекла (в двухпороговых датчиках) при условии регистрации
двух сигналов, следующих с интервалом не более 150 мс;
один датчик позволяет охранять стеклянные окна, витрины
и т. п. площадью до 10 м2; чувствительность датчиков регу-
лируется с помощью специальных имитаторов, например,
марки DG-50 или FG-700;
— активных инфракрасных датчиков движения и присутствия,
срабатывающих при пересечении невидимых лучей инфрак-
расного излучения с длиной волны порядка 1 мкм, излучае-
мых передатчиком и принимаемых приемником, который
может быть совмещен с передатчиком при условии приема
отраженных лучей; отличаются высокой устойчивостью и
надежностью; используются для защиты внутреннего и
внешнего периметров, для бесконтактного блокирования
пролетов, дверей, лифтов, проемов, коридоров и т. п.; наи-
большее распространение получили датчики фирмы ОРТЕХ;
— фотоэлектрических датчиков, аналогичных предыдущему ти-
пу, но с охраняемой зоной между разнесенными в простран-
стве передатчиком и приемником;
— микроволновых датчиков, аналогичных предыдущим двум
типам по назначению, но основанных на излучении и прие-
ме отраженных радиосигналов микроволнового диапазона и
99
3. Система охранной сигнализации
отличающихся более высокими ценами, неудовлетворитель-
ной устойчивостью к ложным срабатываниям и высоким
уровнем вредных излучений;
— ультразвуковых датчиков, аналогичных предыдущим трем
типам, но основанных на излучении и приеме отраженных
ультразвуковых сигналов частотой 20—60 кГц и отличаю-
щихся сравнительно низкой чувствительностью, неудовлет-
ворительной устойчивостью к ложным срабатываниям из-за
перепадов температуры, акустических шумов, колебаний
влажности; находят применение, в основном, в недорогих
системах для защиты малых замкнутых изолированных объе-
мов, например, салона автомобиля;
— вибродатчиков, реагирующих на вибрацию и удары с испо-
льзованием пьезоэффекта или явления электромагнитной
индукции; отличаются низкой стоимостью и высоким уров-
нем ложных срабатываний; применяются в дешевых систе-
мах автомобильной сигнализации;
— барометрических датчиков, реагирующих на флуктуации
давления воздуха в охраняемом помещении в момент откры-
вания дверей, окон, форточек или при разрушении стен, по-
толка, дверей и окон;
— сейсмических датчиков, срабатывающих при изменении дав-
ления в одном из двух уложенных рядом в почву шлангов с
жидкостью при перемещении нарушителя или с использова-
нием пъезоэлсментов; оба вида таких датчиков чувствитель-
ны к посторонним вибрациям, вызываемым, например, про-
езжающим транспортом или сильным ветром;
— магнитных датчиков из проволочной сетки, которая уклады-
вается в почву; реагируют на перемещении человека с ме-
таллическими предметами, например оружием; малоэффек-
тивны вблизи автомобильных и железных дорог;
емкостных датчиков, регистрирующих изменения электри-
ческой емкости между полом помещения и решетчатым
внутренним ограждением или заградительной колючей про-
волокой и землей;
— магнитных (герконовых) датчиков, представляющих собой
пару геркон — магнит и срабатывающих при открыва-
нии/закрывании двери или окна; обычно геркон (герметиче-
ски запаянный в стеклянную трубку контакт, который замы-
кается или размыкается при поднесении к нему магнита)
100
крепится не раме, а магнит •— на подвижной части двери
или окна; поскольку в дежурном режиме для всех датчиков
чаше всего используется замкнутое состояние релейного вы-
хоза, то для повышения надежности устанавливаются по два
параллельно включенных магнитных датчика;
•— датчиков из тонкой алюминиевой фольги, наклеиваемой на
стекло, дверь и т. п и разрывающейся при разрушении за-
щ и шае м о й п о ве рх н ост и; часто н е п ра в и л ь н о н а з ы ва ются
шлейфами, поскольку это понятие по праву принадлежит
цепочке из последовательно включенных датчиков; успешно
вытесняются более надежными и простыми при монтаже
бес контакта ы м и датч и ками,
Отечественными разработчиками и изготовителями элементов
для oxpaHHbizX систем являются такие предприятия как «Сибир-
ским Арсенал» (г. Новосибирск). ТЭКО (г. Казань), «Ар-
гус-Спектр» (г. Санкт-Петербург). НВП «Болид» (г. Королев) и
ряд других.
2 2.. Системы пожарной сигнализации в современном исполне-
нии представляют высокой нтеллектуальные устройства со
встроенной памятью для хранения сообщений о пожаре, распо-
знаванием первичного и последующих сообщений, контролем
и настройкой через интерфейс извещателей или по запросу че-
рез модем, визуальным отображением состояния отдельных
чувствительных элементов (извещателей) на дисплее персо-
нального компьютера, локализацией загрязнением о или неис-
правного извещателя и многое другое. В качестве датчиков (из-
вещателей) таких систем используются:
— детектор перегрева и возгорания, состоящий из двух скру-
ченных проводников с терморезистентным покрытием, ко-
торое при достижении критической температуры размягча-
ется, в результате чего проводники в месте перегрева замы-
каются:
— оптический датчик, реагирующий на 45-проиентное превы-
шение концентрации дыма, определяемой в оптической из-
мерительной камере по рассеиванию инфракрасных или
ультрафиолетовых лучей на частицах дыма, двигающихся с
определенной скоростью (обычно не выше 10 м/с);
— ионизационный датчик для измерения концентрации дымо-
вых частик с помощью ионизационной камеры и источника
101
3. Система охранной сигнализации
слабого радиоактивного излучения (чаще всего используется
америций-241) со сверхнизким уровнем дозы (порядка
0,9 мкКюри, что ниже естественного фона);
— тепловые датчики для точечного контроля температуры
внутри помещения; различают датчики термомаксимального
типа с использованием биметаллической контактной пары,
размыкающейся при повышенной температуре (с предвари-
тельной настройкой на диапазон от 60 до 100°С), или термо-
чувствительного полупроводникового элемента с дополните-
льной схемой; датчики дифференциального типа содержат
два включенных по мостовой схеме термоэлемента, один из
которых находится внутри корпуса извещателя и не имеет
непосредственного контакта с окружающей средой, а второй
вынесен наружу; в нормальной обстановке температура
внутри и снаружи извещателя практически одинакова или
медленно и синхронно меняется по естественным причинам,
поэтому сигнал на выходе моста, регистрируемый диффе-
ренциальным усилителем, близок к нулю; при возгорании
тепловое поле воздействует только на наружный термоэле-
мент, в результате чего мост разбалансируется и формирует-
ся сигнал тревоги;
— датчиков пламени, регистрирующих характерное излучение
в ультрафиолетовой или в инфракрасной частях спектра; в
случае ультрафиолетового датчика с помощью высоковоль-
тного газоразрядного индикатора постоянно контролируется
мощность излучения в спектральном диапазоне
220—280 мкм, которая при возгорания резко повышается,
при этом удается контролировать площадь до 200 м2 при вы-
соте установки 20 м и времени срабатывания не более 5 с;
инфракрасный датчик с оптической фокусирующей системы
регистрирует характерные всплески ИК-излучения при по-
явлении открытого пламени и позволяет определять в тече-
ние 3 с наличие пламени размером от 10 см на расстоянии
до 20 м при угле обзора 90°;
— газовые датчики; относятся^к^лассу аварийной сигнализа-
ции и служат для обнаружения опасной концентрации паров
бензина и газов (пропана, бутана, этанола, пропанола, вы-
хлопного и угарного газа); в качестве чувствительного эле-
мента используется полупроводниковый прибор, сопротив-
ление которого меняется в зависимости от концентрации в
102
воздухе того или иного газа; на отечественном рынке пред-
ставлены датчики производства Тайваня (Horing Lin Industri-
al Со.), Испании (Cofem S.A.), США (Macurco Inc.), разли-
чающиеся как стоимостью, так и (что намного важнее) каче-
ством газочувствительных элементов;
— датчики аварийного затопления; представлены двумя типа-
ми — поплавковым и пороговым с открытыми контактами;
поплавковые характеризуются большими размерами и пред-
назначены в основном для промышленных объектов; поро-
говые датчики срабатывают при замыкании внешних кон-
тактов жидкостью при ее минимальном уровне около 1 мм;
примером такого датчика может служить изделие Watergu-
ard- 1000Н20 компании Flair Electronics (США).
В простейшем варианте шлейф датчиков пожарной и аварий-
ной сигнализации подключается к пульту-концентратору охран-
ной сигнализации.
2.3. Системы ограничения доступа устанавливаются в отдель-
ных помещениях, коридора, бюро, гостиницах, депозитариях,
сейфах и в других местах с повышенными требованиями к бе-
зопасности; отключаются от центральной системы охраны дис-
танционно. Традиционные системы контроля доступа иденти-
фицируют пользователя при помощи ключа, набора кода, при
введении карточки с фотографией в считыватель и с учетом
множества других параметров идентификации. Примером мно-
гофункциональной системы ограничения доступа является бес-
контактная система АВАКСЕСС.
2.4. Системы телевизионного наблюдения позволяют одному
или нескольким наблюдателям одновременно следить за одним
или многими объектами, находящимися на значительном рас-
стоянии как друг от друга, так и от места наблюдения; в про-
стейшем случае такая система состоит из видеокамеры и мони-
тора; используются не только для охраны, но и в чисто
«мирных» целях: наблюдение за состоянием нескольких паци-
ентов в больничных палатах и за движением транспортных по-
токов на оживленных магистралях и в портах, контроль техно-
логических процессов, проведение научных исследований и др.
103
3. Система охранной сигнализации
3.1. Структурная схема системы
Рассматриваемая система состоит из датчиков, так называемого
пульта-концентратора (блок управления (БУ на рис. 3.1), блок
коммутации соединений БКС и блок контроля БК), исполнитель-
ных устройств (блок звуковой сигнализации БС и блок оповеще-
ния БО с элементами дистанционного управления (разд. 3.6)) и
блока питания БП с аккумулятором Ак, работающим в буферном
режиме.
Рис. 3.1. Структурная схема системы охранной сигнализации
Блок датчиков состоит из пассивных инфракрасных (ИК) дат-
чиков движения, акустических датчиков разрушения стекла и маг-
нитного контактного датчика. Они объединены в следующие две
группы (зоны):
1. Охрана помещения, в котором могут находиться домашние
животные; в группу входят акустический датчик разрушения окон-
ного стекла А2 (см. рис. 3.2) и настенный пассивный инфракрас-
ный (ИК) датчик движения И2 типа LC— 1ООРТ компании DSC
(Канада) на базе многозонного пироэлектрического приемника с
микроконтроллером с дальностью обнаружения до 15 м при высо-
те установки 2,4 м, регулируемым углом обзора в горизонтальной
плоскости в пределах -(115—180°) и возможностью подавления
помех от животных массой 15 или 25 кг (обнаруживаемая скорость
перемещения объекта в паспорте не указана; можно полагать, что
она типична для таких датчиков (см. ниже)). Релейные выходы
(нормально замкнутые контакты) датчиков через блоки БКС и БС
104
3.1. Структурная схема системы
подключены к блоку управления; выход датчика разрушения И2
(нормально замкнутые контакты микропереключателя — так на-
зываемый ТАМПЕР) включены последовательно с основным ре-
лейным выходом. Блок сигнализации БС (сирена) находится в том
же помещении, что А2 и И2, и служит для физиологического воз-
действия на злоумышленника или не в меру разыгравшихся жи-
вотных;
2. Группа для охраны четырех помещений с использованием
акустического датчика А13 (защита окна на кухне, схема на
рис. 3.2), двух параллельно включенных магнитных герконовых
датчиков ГК на входной двери квартиры и для трех жилых ком-
нат — потолочного совмещенного акустического и ИК-датчика
(И11А11, И12_А12, И14_А14) типа Астра-8 с параметрами:
— для акустического канала (с микропроцессорным анализато-
ром спектра): максимальная дальность обнаружения в секто-
ре объемного угла из центра микрофона 120° — 6 м;
— для ИК-канала (на базе многозонного пироэлектрического
приемника с микроконтроллером): угол обзора — 360°; диа-
метр зоны обнаружения — 6м при высоте установки 2,4 м и
9 м при высоте 3,6 м; диапазон обнаруживаемых скоростей
перемещения объекта — 0,3—3 м/с; время перехода в дежур-
ный режим после срабатывания — не более 10 с; релейные
выходы ИК-каналов соединены последовательно и через
блоки БКС и КС подключаются к блоку управления БУ под
названием И1; выходы акустических каналов, ТАМПЕР-,
А13- и ГК-датчиков образуют шлейф под названием А1 в
блоке управления БУ (см. рис. 3.4).
Напряжение питания всех промышленных датчиков — 8—15 В,
ток потребления — не более 15 мА. В рассматриваемой системе
использован стабилизированный источник питания с выходным
напряжением 12 В (цепь питания на рис. 3.1 не показана) и воз-
можностью перехода на автономное питание от аккумулятора (см.
рис. 3.10).
Перейдем к рассмотрению отдельных блоков.
105
3. Система охранной сигнализации
3.2. Акустический датчик
Акустический датчик разрушения стекла окон и балконных
дверей (датчики А2 и А13 на структурной схеме) выполнен на
базе конденсаторного электретного микрофона CZN-15 (см.
рис. 3.2, о), широко используемого в телефонных аппаратах и в
других устройствах, в том числе и в упоминавшемся датчике Аст-
ра-8. Сопротивление резистора R1 выбирается таким, чтобы на-
пряжение на микрофоне составляло 3,5...4 В. Выходной сигнал
микрофона поступает на вход операционного усилителя
К538УН1 с частотно зависимой обратной связью на элементах
R2—R4, С2 и СЗ. При этом чувствительность датчика может регу-
лироваться изменением коэффициента усиления резистором R4 и
коррекцией АЧХ. Схема модели для исследования АЧХ усилителя
показана на рис. 3.2, б, а его АЧХ — на рис. 3.2, в; на уровне
—3 дБ полоса пропускания на первом участке АЧХ составляет f2
- fl = 2000 - 10 « 2000 Гц.
При воздействии акустического сигнала тревоги, когда транзи-
стор Т2 открывается на время At >> 0,7R9 C7 = 0,7-4,7Т03-10“6 =
3,3 мс, напряжение на конденсаторе С7 (около 12 В в исходном
состоянии) уменьшается до напряжения срабатывания инвертора
D1.2, в результате чего:
— открывается D1.3 и включается светодиод Д4, индицируя
факт срабатывания датчика (в рабочем режиме отключается
перемычкой П);
— закрывается D1.1 и открывается ключ на транзисторе Т1, в
результате чего срабатывает герконовое реле Р (РЭС55А,
паспорт РС4.589.601) и его нормально замкнутые контакты
KI, К2 размыкаются (типичный для таких датчиков выход-
ной релейный сигнал тревоги).
После окончания действия сигнала тревоги транзистор Т1 пе-
реводится в закрытое состояние, в результате чего начинается за-
ряд конденсатора С7 через резисторы R6 и R8. При этом время за-
ряда до напряжения, при котором открывается D1.2, определяет
время удержания контактов KI, К2 в открытом состоянии и при-
близительно равно 0,7R8-C7 = 0,7-6,8-106-10—6 = 4,76 с, что под-
тверждается и экспериментально. Очевидно, что воздействие крат-
ковременной помехи (At < O,7R9-C7) не будет вызывать срабатыва-
ние датчика. Таким образом, помехозащищенность датчика может
106
3.2. Акустический датчик
быть обеспечена как за счет коррекции АЧХ усилителя, так и из-
менения постоянной времени R9-C7.
При регулировке чувствительности акустических датчиков мо-
гут быть использованы имитаторы разрушения стекла, например,
в)
Рис. 3.2. Акустический датчик
107
3. Система охранной сигнализации
типа DG-50, FG-700 или Астра-961. Однако с< пюбительскнх усло-
виях более приемлемой является приведенная « инструкции дат
чика Астра-8 методика, сущность которой заключается в следую-
щем. В наиболее удаленной части защищаемого оконного или
дверного проема по стеклу наносится тестовый (неразрушающий)
удар стальным шариком диаметром 21,5 мм и массой около 40 г
Для этого шарик подвешивается на нити длиной около 35 см и от-
водится на угол, определяемый из следующей таблицы (s скобках
указаны углы для стекол с защитной полимерной пленкой):
Тол щи на.стекла, мм 3 4 5 6 7 >7 |
Угол отклонения, град 30(45) 35(50) 40(55) 45(60) 5О(65)_ 55(75) [
Датчик считается настроенным, если тестовый удар вызывает
кратковременное срабатывание, индицируемое светодиодом в те-
чение At« 0,7R9 C7.
Рис. 3.3. Фотографии акустического датчика
Конструктивно датчик выполнен в корпусе компьютерно л
мыши с использованием односторонней монтажной печатной
платы (с отверстиями под диповские корпуса) размером 50x65 мм
(см. фото на рис. 3.3). Большинство соединительных проводников
выполнено проводом диаметром около 0,15 мм, приклеенных к
печатной плате клеем «Момент». Отверстие для микрофона со
ставляет 2,5 мм с раззенковкой с внешней стороны.
108
3.3. Блок управления
3.3. Блок управления
Блок управления выполнен на ИМС КМОП-серии (см. рис. 3.4
и 3.7). В качестве времязадаюшего (тактирующего) устройства ис-
пользована часовая ИМС DI с кварцевым резонатором Q на
32768 Гц. Поскольку при напряжении питания 12 В эта ИМС ра-
ботает неустойчиво, то ее питание производится при пониженном
напряжении за счет последовательного включения в цепь +12 В
диодов Д1 —- ДЗ (с блокировочным конденсатором С1). При этом
для согласования уровней на входе установки нуля счетчика секунд
(делителя на 60, вывод 9) используется делитель напряжения на ре-
зисторах R4, R13: выходной сигнал этого счетчика (вывод 10) по-
дается на счетный с вход счетчика D9.1, на выходах которого фор-
мируются 1-, 2-, 4- и 8-минутные интервалы (сигналы логической
1 на шинах 1м, 2м, 4м и 8м соответственно; на самом деле все они
на полмянуты меньше — см. ниже). Стробирующие импульсы
управления динамической индикацией с частотой следования
128 Гц (выводы 1 и 3 D1) с помощью D2.1 преобразуются в импу-
льсы с частотой 256 Гц, которые поступают на вход 5 ИМС D3.1,
на два других входа которой поступают сигналы частотой 1024 Гц
Рис. 3.4. Блок управления
109
3. Система охранной сигнализации
(с вывода 11 D1) и 1 Гц (выводы 4-7; можно использовать также
сигналы частотой 0,5 Гц с вывода 6 D1); на выходе ИМС формиру-
ются прерывистые двухтональные сигналы для сирены (шина Г);
сигналы секундных интервалов на шине В используются в блоке
сигнализации для установки времени звучания сирен (см. рис. 3.8).
Схема для моделирования формирователя импульсной последо-
вательности с частотой следования 256 Гц содержит (см. рис. 3.5,
а) имитатор генератора сигналов на выводах 1, 2 D1 и двухвходо-
вой элемент ИЛИ-HE D4 (D2.1 в схеме блока). Имитатор содер-
жит: два источника однополярных импульсов с коэффициентом
заполнения 0,25 (скважность 4) и частотой 128 (U1) и 512 Гц (U2);
двоичный счетчик на D-триггере D2; инвертор D1 и элемент И
D4. На выходе имитатора (точки А, В) формируются сдвинутые на
полпериода (1/128 с) импульсы длительностью 1/512 с каждый
(осциллограммы А и В на рис. 3.5, г). При переводе ключа Z одно-
именной клавишей клавиатуры в верхнее положение убеждаемся,
что на выходе D4 (D2.1) формируется импульсная последователь-
в)
д)
Рис. 3.5. Модели элементов формирователя аудио сигнала
НО
3.3. Блок управления
Схема для моделирования формирователя суммарной импуль-
сной последовательности, поступающей по шине Г в блок сигнали-
зации в качестве тревожного аудиосигнала, содержит (см. рис. 3.5,
в, г) три источника однополярных импульсов U3, U4 и U5, прону-
мерованных в соответствии с сигналами на входах ИМС D3.1 с тем
отличием, что частота U3 увеличена в 64 раза для возможности про-
ведения осциллографических измерений для всех трех сигналов
при приемлемой длительности развертки для U3. Измеряя длитель-
ность импульсов на выходе Г, нетрудно убедиться, что в суммарном
сигнале присутствуют составляющие сигналов U3, U4 и U5.
Вернемся к анализу схемы блока управления. При включении
питания (см. рис. 3.4) с помощью дифференцирующей цепи
R2-C2 (с защитным диодом Д2 для разряда С2 при выключении
питания) формируется сигнал общего сброса в виде логической
единицы, который через D5.1 и D6.1 подается на R-входы тригге-
ров D8.1, D8.2 и D11. Операцию общего сброса можно осущест-
вить также переключателем П2 переводом его в исходное положе-
ние С (Стоп) после пуска, что достаточно удобно при отладке сис-
темы (например, чтобы не ожидать выполнения неправильно
выбранной комбинации сработавших датчиков при имитации воз-
можных режимов работы системы).
Запуск системы в дежурный режим производится кнопкой П
(Пуск) после перевода переключателя П2 в положение О (Охра-
на), при котором по шине О на указанную кнопку и резисторы
R8—R11 подается напряжение +12 В (вход ДУ1 служит для дис-
танционного управления постановкой и снятием с охраны — см.
разд. 3.6). При этом ИМС D8.1, работающая в режиме RS-тригге -
ра, по S-входу переводится в единичное состояние (на выводе
13 — сигнал логической 1), а счетчик секунд в D1 (по его R-входу
9) и счетчик минут D9.1 (по R-входу 15) через Д6 — в нулевое со-
стояние (диоды Д5, Д6 и резисторы R4, R13 образуют двухвходо-
вую схему ИЛИ). Через 4 минуты на выходе 13 D9.1 (шина 4 м)
формируется сигнал логической 1, что приводит к переводу выхо-
да И-НЕ D4.3 в состояние низкого, практически нулевого потен-
циала, в результате чего триггер D8.1 через Д7 и инвертор D6.1 об-
нуляется и система переводится в дежурный режим. Защитный
временной интервал, в течение которого можно покинуть поме-
щение, индицируется светодиодом Д17 и может быть установлен
также равным 1, 2 или 8 минут, в зависимости от того, к какому
выходу D9.1 подключен вывод 2 D4.3. Сигнал логической 1 на ин-
111
3> Система охранной сигнализации
версном выходе 12 D8.1 по шине «нП» поступает на логические
элементы D10.1 и D10.2 является разрешающим при формирова-
нии сигналов тревоги (см. ниже).
Схема для моделирования процесса запуска системы в части
формирования защитного временного интервала содержит (см.
рис. 3.6, о) упоминавшиеся ИМС D4.3 и D6.1, диод Д7, резистор
R5 и источник потенциального логического сигнала U, имитиру-
ющего состояние выхода ИМС D5.1 для рассматриваемого момен-
та (вместо источника U можно также использовать модель D5.1,
соединив все ее четыре входа с общей шиной). При этом прини-
мается, что на входах логического преобразователя, фрагмент ли-
цевой панели которого показан на рис. 3.6, б, действуют логиче-
ские сигналы А = 4м (вывод 13 D9.1) и В = Q (прямой выход 13
триггера D8.1). После нажатия кнопки в правой нижней части
преобразователя на его дисплее получаем таблицу истинности мо-
делируемой схемы, из которой следует, что при А = 1 и В = 1
(комбинация 003) на ее выходе действует сигнал OUT 1, что и
соответствует рассмотренному ранее алгоритму формирования за-
щитного временного интервала.
г)
Рис. 3.6. Модели элементов блока управления
112
3.3. Блок управления
В дежурном режиме блоком реализуются следующие функции.
1. Генерация сигнала тревоги — осуществляется в зависимости
от комбинации сработавших в заданный промежуток времени дат-
чиков, которые на схеме рис. 3.4 представлены в виде нормально
замкнутых контактов А1, А2, И1, И2, обозначенных в соответст-
вии с блок-схемой на рис. 3.1. Срабатывание датчика из той или
иной группы фиксируется размыканием одного из указанных кон-
тактов и запоминается соответствующим RS-триггером ИМС D11
путем подачи на его S-вход потенциального сигнала через рези-
сторы R8—Rl 1. Срабатывание любого из датчиков сопровождает-
ся переводом выходного сигнала ИМС D5.2 из единичного состо-
яния в нулевое, в результате чего:
— по шине С деблокируется (по R-входу 7) счетчик D9.2 числа
срабатываний ИК-датчиков И1, И2, сигналы с которых по-
ступают на счетный с-вход 1 D9.2 через ИМС D2.2 и D2.3
(результатом работы D9.2 является сигнал логической 1 на
шине «чс» выхода схемы ИЛИ на диодах Д8—Д11);
— при наличии сигнала «нП» (нет пуска, при котором D8.1 на-
ходится в нулевом состоянии) сигнал с D5.2 по шине С пе-
реводит D4.2 в единичное состояние, a D4.1 — в нулевое, в
результате через Д5 деблокируются по входу 9 счетчик се-
кунд в D1 и счетчик минут D9.1 — по R-входу 15, т. е. начи-
нается формирование временных интервалов 1м — 8м.
Формирование сигнала тревоги производится ИМС D10.1 через
4 минуты после срабатывания одного из датчиков (сигнал 1 на
шине «4м»), а также при наличии единичных сигналов «нП», «чс»
и сигнала срабатывания датчика А1 или А2 (вскрытие входной
двери или разрушение стекла одного из окон или балконных две-
рей), формируемого ИМС D2.4 и D6.2. При этом сигнал логиче-
ского 0 с выхода D10.1 инвертором D6.3 преобразуется в логиче-
скую 1, которая через резистор R15 открывает ключ на транзисто-
ре Т, в результате чего:
— срабатывает реле Р (того же типа, что и в рассмотренном
выше акустическом датчике), нормально замкнутые контак-
ты которого размыкаются, что вызывает срабатывание блока
оповещения;
— начинается разряд конденсатора С5 через R17 и через время,
приблизительно равное 0,7R17 C5 = 0,7-6,810610“6 = 4,76 с,
происходит срабатывание инвертора D6.5, выходной сигнал
ИЗ
3. Система охранной сигнализации
которого через D5.1 и D6.1 переводит систему в исходное
состояние и через выключатель П1а и шину Т передается в
блок сигнализации для включения сирены.
В случае, если злоумышленник проник в защищаемые помеще-
ния другим способом, например, через вентиляционный шлюз
(сигналы с А1 и А2 отсутствуют), формирование сигнала тревоги
производится по числу срабатываний ИК-датчиков, фиксируемых
на выходах 5 или 6 счетчика D9.2 и передаваемых на D10.1 в виде
логической 1 через схему ИЛИ на диодах Д12, Д13 и резисторе R12.
Схема для моделирования процесса формирования сигнала
«чс» содержит (см. рис. 3.6, в), кроме элементов блока управления,
источник потенциального логического сигнала U, логические эле-
менты D9.21 и D9.22, имитирующие входную логику счетчика
D9.2, программно управляемые ключи Al, А2, И и 12, имитирую-
щие релейные выходы датчиков, и логический пробник Р. Время
срабатывания ключей выбраны в их диалоговых окнах следующим
образом: для А1 — время включения Топ = 0,5 с, время выключе-
ния Toff = 1,2 с (см. осциллограмму А1); для А2 — Топ = 1,5 с,
Toff = 10 с (выбранные параметры выходят за пределы времени
моделирования и поэтому не отображаются на экране осциллогра-
фа); для ИК-датчика 12 — Топ = 0,6 с, Toff = 0,7 с (осциллограм-
ма 12 и первое срабатывание логического пробника Р); для II —
Ton = 1 с, Toff = 1,2 с (осциллограмма II и второе срабатывание
Р). Таким образом, при срабатывании ИК-датчиков на счетчике
D9.2 будет зафиксировано 2 импульса, что соответствует состоя-
нию высокого уровня (логической 1) на выходе 4 D9.2. Если пер-
вым сработает один из ИК-датчиков, то оно не будет зафиксиро-
вано счетчиком D9.2 из-за задержки срабатывания D11 и D5.2.
В некоторых случаях может потребоваться подключение к выходу
D2.3 конденсатора емкостью около 1 нФ для подавления дребезга
контактов датчика, если такой обнаружится в процессе наладки
системы.
2. Формирование сигнала ложной тревоги jV?7 — производится в
том случае, если нет срабатывания датчиков Al, А2 (на выходе
D2.4 сигнал логической 1) и И1 (на выходе D6.4 сигнал логиче-
ской 1), но фиксируется срабатывание датчика И2 (на Выходе 9
D11 сигнал логической 1), вызванное перемещением животных в
помещении, где установлен И2. В этом случае через 4 минуты и
при наличии сигнала «нП» на выходе D10.2 формируется сигнал
логического 0, который после инвертирования в D6.6 передается в
114
3.3. Блок управления
схему общего сброса (через D5.1) и через D4.4, выключатель П16
по шине СЗ — в блок сигнализации для кратковременного вклю-
чения сирены с целью «умиротворения» животных.
3. Формирование сигнала ложной тревоги №2 — производится в
том случае, если в течение 4 минут фиксируются два и более сра-
батываний только датчика А2 (животные слишком громко «голо-
сят»). В этом случае первое срабатывание А2 фиксируется на вы-
ходе 2 D11 в виде логической 1, которая передается на D-вход 5
триггера D8.2 с задержкой т » 0.7R16 C4 = 0,7-10610-7 = 0,07с, что
предотвращает запоминание первого срабатывания А2 при по-
ступлении на с-вход D8.2 через D7.2 и D7.3 тактового сигнала с
вывода 4 DI1. Этот сигнал поступает с небольшой задержкой,
определяемой постоянной времени интегрирующей Я9-СЗ-цепи
(R9 C3 « R16C4), предназначенной для защиты от дребезга кон-
тактов А2. Вторичное срабатывание А2, Не меняя состояния сиг-
нала на выходе 2 DI I, переводит по с-входу D8.2 в единичное со-
стояние, что при отсутствии срабатывания И1 (на выходе D6.4 —
сигнал высокого уровня) через 4 минуты вызывает срабатывание
D3.2, выходной сигнал которого через инвертор D7.1 передается в
схему общего сброса (через D5.1) и через D3.3, выключатель П1б
по шине Л — в блок сигнализации для кратковременного включе-
ния сирены с целью «умиротворения» животных. Заметим, что
при числе срабатываний А2 больше двух единичное состояние
D8.2 не меняется, поскольку на ее D-входе при этом сохраняется
сигнал 1 с выхода 2 DI 1.
4. Формирование сигнала ложной тревоги №3 — производится
при случайном срабатывании одного из датчиков (на выходе D7.4
сигнал логической 1), что, однако, не соответствует условиям вы-
полнения п. 1—3. В этом случае через 8 минут выход И-НЕ D4.4
переводится в состояние низкого (нулевого) уровня, который че-
рез диод Д14 и D6.1 передается в схему общего сброса и через
D3.3, выключатель П1б по шине Л — в блок сигнализации для
кратковременного включения сирены.
Индикация времени отработки рассмотренных режимов работы
системы производится светодиодом Д16, управляемым инверто-
ром D7.4 при наличии на шине С сигнала логической 1, т. е. при
срабатывании любого из датчиков.
Конструктивно БУ выполнен на монтажной односторонней пе-
чатной плате размером 75x75 мм в корпусе блока питания (фото
на рис. 3.7). Блок соединяется с остальными блоками с помощью
115
3. Система охранной сигнализации
Рис. 3.7. Монтажная плата блока управления
малогабаритного 21-контактного разъема ОНП-8-21. Не показан-
ные на схеме блока выводы 4, 12 (разрешение по выходу и входу)
ИМС D6 и D7 (К561ЛН1) заземлены (лучше использовать
К561ЛН2, не оказавшейся у авторов «под рукой»).
3.4. Блок сигнализации
Блок сигнализации выполнен (см. рис. 3.8) на трех цифровых
ИМС (DI—D3), двухканальном усилителе мощности D4 и транзи-
сторных ключах на Tl, Т2. При включении питания обнуление
триггеров ИМС D1 производится по шине О сигналом низкого
(нулевого) уровня с переключателя П2 в положении С (Стоп) в
блоке управления (см. рис. 3.4), при этом сигналы 1 на инверсных
выходах D1 через двухвходовой элемент И на R2, ДЗ, Д4 поддер-
живают счетчик секунд (вход В) D2 в нулевом состоянии.
При поступлении по шине Т сигнала тревоги триггер D1.1 пере-
водится в единичное состояние, в результате чего деблокируются:
— D4 (через Д1 и вход 11) и сформированные в БУ двухтональ-
ные сигналы по шине Г поступают на оба входа усилителя
мощности через регулятор уровня на R9;
— ключи на Tl, Т2 через R8 и через клеммы Кл5, Клб и R12
подается питание на автономную сирену (пьезоэлектриче-
116
3.4. Блок сигнализации
скую или динамическую, например, малогабаритную DS-530
со звуковым давлением 117 Дб/м); вход ДУ2 служит для дис-
танционного управления сиреной — см. разд. 3.6:
— через Д4 — счетчик D2 времени звучания автономной или
сирены в виде 4-омных громкоговорителей, подключаемых к
клеммам Кл1, Кл2 (первый канал) и КлЗ, Кл4 (второй).
Мощность каждого канала — 22 Вт.
Время звучания сирен определяется тем, к какому выводу D2
подключен вход D3.1; при показанном на схеме подключении это
время составляет около одной минуты. По истечении этого време-
ни на выводе 5 формируется сигнал 1, который через D3.1 и D3.2
переводит D1.1 в исходное состояние и, следовательно, произво-
дится обнуление и блокировка D2.
При поступлении сигнала ложной тревоги по шине Л в единич-
ное состояние переводится триггер D1.2, в результате чего дебло-
кируются D4 (через Д2), ключи на Т1 и Т2 (через R7) и приводят-
ся в действие сирены описанным выше образом на время, опреде-
ляемое тем, к какому выводу D2 подключен вход 12 D3.3; при
показанном на схеме подключении это время составляет около
4 с. По истечении этого времени на выводе 13 формируется сиг-
нал 1, который через D3.3 и D3.4 переводит D1.2 в исходное со-
стояние. Резистор R12 служит для ограничения напряжения пита-
ния до 12 В, обычно используемом в промышленных сиренах; для
упоминавшейся выше DS-530 (потребляемый ток около 1 А)
R12 = 3,9 Ом (для более дорогой пьезоэлектрической сирены той
же мощности потребляемый ток почти на порядок меньше). Из
схемы блока видно, что для питания автономной сирены может
быть использован как выпрямитель блока питания (+17 В), так и
аккумулятор резервного питания (вход +Ак), который автоматиче-
ски отключается при наличии +17 В через диоды Д5-Д6 двухвхо-
довой схемы ИЛИ.
Конструктивно блок размещен в корпусе размерами
80x60x30 мм (корпус УКВ-блока от старого лампового радиопри-
емника), силуминовое основание которого используется в качест-
ве радиатора для D4 и Т2 (без электрической изоляции). Печатная
монтажная плата для цифровых ИМС имеет размер 40x25 мм и
крепится жесткими соединительными проводниками пайкой вер-
тикально к плате размером 75x25 с остальными элементами,
включая клеммник. В зависимости от предпочтений и возможно-
117
3. Система охранной сигнализации
стей, рассмотренная схема может быть упрощена путем исключе-
ния из нее транзисторных ключей или D4.
а)
б)
в) г)
Рис. 3.8. Блок, сигнализации
118
3.5. Другие блоки системы
Для уточнения временных интервалов, формируемых счетчика-
ми К561ИЕ10 в блоках управления и сигнализации рассмотрим
схему модели одной половины этой ИМС, содержащую (см.
рис. 3.8, б) четыре D-триггера Т1—Т4. В качестве имитатора се-
кундных сигналов используется источник U однополярных импу-
льсов типа меандр с инвертором N на выходе. Из осциллограмм
на рис. 3.8, в видно, что на выходе второго триггера (ключ Z в
нижнем положении) сигнал появляется через 1,5 периода входно-
го, т. е . отсчитываемый интервал на 0,5 с меньше ожидаемого. На
столько же короче будет интервал и на выходе Т4 (см. осциллог-
рамму на рис. 3.8, г); в случае же блока управления все формируе-
мые D9.1 временные интервалы будут на 0,5 минуты короче ука-
занных на схеме. Объясняется это тем, что скважность меандра
равна двум; очевидно, что при ее увеличении наблюдаемое «уко-
рочение» будет уменьшаться.
3.5. Другие блоки системы
1. Блок контроля (БК) (рис. 3.9) содержит движковый переклю-
чатель П на три положения. В левом положении (РАБ — работа)
релейные выходы датчиков (клеммы А1в, А2в, И1в, И2в) соединя-
ются с блоком управления (клеммы А1, А2, И1, И2); в среднем
положении (0) выходы датчиков и соответствующие им входы БУ
находятся в режиме холостого хода. В правом положении (КНТ —
контроль) к блоку управления подключаются имитаторы датчиков
в виде микропереключателей А1к, А2к, И1к, И2к, коммутация ко-
торых позволяет проверить работу блока управления в ранее рас-
смотренных режимах, в частности, при проверке режима форми-
рования сигнала тревоги используется светодиод Д, свечение ко-
торого прекращается при размыкании нормально замкнутых
контактов реле К1 и К2 в БУ. Для этого пара проводников от этих
контактов, подсоединяемых в рабочем режиме к блоку оповеще-
ния, временно подключаются к рассматриваемому блоку через
контакты KI, К2 (гнездо-вилка от размонтированных разъемов).
Поскольку блок находится примерно на расстоянии 1 м от блока
управления, то вторые выходы всех четырех датчиков в нем объе-
динены и выведены на отдельную клемму, которая соединяется с
общей шиной только в БУ. В рассматриваемый блок заведена на
отдельные клеммы шина питания датчиков +12 В.
119
3. Система охранной сигнализации
РАБ О БИТ
Рис. 3.9. Блок контроля
Блок коммутации соединений (БКС) представляет набор клемм
для подсоединения к блоку управления групп датчиков (8 клемм),
шины их питания (2 клеммы), сигналов управления и шины пита-
ния сирены (6 клемм). Блок размещается на расстоянии около 3
метров от блока управления.
Блок питания (БП) выполнен в укороченном корпусе от блока
питания популярного в 1970-х годах бытового компьютера
БК-07 с использованием его предохранителя Пр (см. рис. 3.10),
выключателя сети Т, силового трансформатора Тр, выпрямителя
на диодах Д1— Д4, дросселя Др и конденсаторов фильтра Cl, С2.
Плата выпрямителя с конденсаторами фильтра дополнена конден-
сатором СЗ и монтажной платой шириной 24 мм и высотой 65 мм,
на которой размещены: стабилизатор напряжения на ИМС
КР142ЕН1А с эмиттерным повторителем на Т2 (размещен на ра-
диаторе размером 5x5 см над трансформатором Тр); цепь заряда
аккумулятора Ак в буферном (Б) (через R1 + R2 и Д5, ток подзаря-
да 35 мА) и форсированном (3) (через R2 и Д5, ток заряда 100 мА)
режимах, переключаемых ползунковым переключателем П; пара-
метрический стабилизатор на R3, Д6 с эмиттерным повторителем
на Т1; защитные диоды Д5, Д7 (1N851) (защита от разряда акку-
мулятора через стабилизатор и защита выхода последнего при ава-
рийном отключении сети) и Д8 (защита Т1 при отключении акку-
мулятора).
В блоке питания использованы в качестве резервного два по-
следовательно включенных герметизированных свинцово-кислот-
ных 6-вольтовых аккумуляторов (SLA) марки СА645 емкостью
4,5 А час китайского производства. Особенностью этих аккумуля-
торов является то, что даже при токе подзаряда 35 мА напряжение
120
3.6. Блок оповещения и дистанционного управления
на нем достигает 16В, что и обусловило применение параметриче-
ского стабилизатора с повторителем на TL работающем в режиме,
близком к насыщению (падение напряжения нг1 Т1 в режиме на-
сыщения составляет около 0,3 В). При выключении блока пита-
ния одновременно отключается и аккумулятор (тумблером Т1б).
Выход +Ак используется для питания автономной сирены в блоке
сигнализации при аварийном отключении сети.
3.6. Блок оповещения и дистанционного
управления
В качестве блока оповещения БО может быть использован те-
лефонный аппарат (наиболее дешевый вариант) или специализи-
рованная система контроля и управления. Для реализации первого
варианта можно использовать телефонный аппарат «Русь-28 СО-
НАТА», имеющий батарейное резервное питание и функцию уве-
домления (в случае срабатывания охранной системы) на заданный
мобильный телефон в виде условного голосового сообщения «Для
абонента восемь», которое будет повторяться до тех пор, пока вла-
делец сотового не нажмет кнопку # на время не менее 1 с. Выбор
такого режима в телефоне-передатчике производится на его кла-
виатуре командой в виде последовательности:
[МООЕ]([РЕЖИМ]), [1], [*], [*], [*] => 11] - включение режи-
ма [0] — выключение => [*] (ввод номера сотового телефона) =>
[*] => [8] (признак указанного голосового сообщения) => [*] (окон-
чание ввода команды). Дополнительные настройки телефонного
121
3. Система охранной сигнализации
аппарата производятся в режиме «Профессионал», который вклю-
чается командой 2580 => [МООЕ]([РЕЖИМ]) (выполнение) и вы-
ключается командой 2581 => [МОСЕ]([РЕЖИМ]). После выбора
режима «Профессионал» вводятся команды:
1. 51 => [МОВЕ]([РЕЖИМ]) — постановка на охрану или
50 => [МООЕ]([РЕЖИМ]) — снятие с охраны;
2. 52XXYZ [МООЕ]([РЕЖИМ]) — выбор временных пара-
метров и типа датчика охраны: XX — задержка в секундах перед
постановкой и после снятия с охраны; Y = 1 — включать сирену с
одной из имеющихся в телефоне мелодий и выбранной в режиме
«Таймер», Y = 0 — не включать (выбрано по умолчанию), Y = 2 —
формирование сигнала логической единицы при срабатывании
датчика на выходе управления дополнительным устройством (вы-
вод USR на печатной плате, который нельзя использовать при
значениях Y = 1 или 2 при наличии автоответчика); Z = 0 — дат-
чик, работающий на размыкание (в течение времени задержки
должен быть замкнут), Z = 1 — датчик, работающий на замыкание
(в течение времени задержки должен быть разомкнут), Z = 2 —
датчик, состояние которого меняется при срабатывании датчика
охраны (выбрано по умолчанию).
3. 530 => [МООЕ]([РЕЖИМ]) — телефон сигнализирует о сраба-
тывании датчика охраны в течение его активного состояния, после
возврата в исходное состояние аппарат опять ставится на охрану;
531 => [МСЮЕ]([РЕЖИМ]) — телефон сигнализирует о сраба-
тывании датчика охраны до тех пор, пока не будет снят с охраны
командой
50 => [МООЕ]([РЕЖИМ]).
Более широкими функциональными возможностями обладают
специализированные системы контроля и управления, в частно-
сти, система СТРАЖ SMS 3x5 GPS российской компании «Теле-
системы», которая обладает следующими характеристиками:
1. Прием сообщений и управление с трех мобильных или го-
родских управляющих телефонов; при этом паролем доступа явля-
ется сам номер управляющего телефона, занесенный в память
SIM карты СТРАЖ'а. В более ранней разработке СТРАЖ SMS
4x4 GPS той же компании количество телефонов достигает девяти
и используется дополнительный шестизначный пароль доступа,
что, очевидно, является избыточным и усложняющим программи-
рование (см. ниже).
122
3.6. Блок оповещения и дистанционного управления
Запись номеров управляющих телефонов (под любыми удобны-
ми именами) производится в любые (кроме 50-ой и 51-ой) ячейки
SIM-карты СТРАЖ'а после отмены (отключения) запроса ее
PIN-кода и установки в мобильный телефон, обладающий воз-
можностью перезаписи номера из его памяти в память SIM-карты
(например, телефон VI50 компании Motorola, в котором команда
«Копировать запись» находится в меню «Дополнительные/Спра-
вочник»); при этом необходимо иметь в виду, что номера ячеек
памяти SIM-карты начинаются в большинстве случаев с цифры
101; дополнительным условием является выбор двузначного номе-
ра ячейки, например, 46, 47, 48 49 (соответствуют относительным
(с учетом памяти телефона) номерам 146, 147, 148 и 149).
2. Формирование тревожного звонка абонентам управляющих
телефонов, номера которых записаны в память SIM-карты систе-
мы, при изменении GPS координат или при срабатывании датчи-
ков охраны, аварийной или пожарной сигнализации с использова-
нием трех входов (в системе СТРАЖ SMS 4x4 GPS таких входов
четыре); двузначные номера ячеек памяти SIM-карты, в которых
записаны номера управляющих телефонов, располагаются в пер-
вых шести полях ячейки с уникальным номером 50 (150) памяти
SIM-карты системы (см. табл. 3.2 и 3.3).
3. Формирование и передача SMS сообщений на управляющие
телефоны по п. 2:
— при тревоге (срабатывание датчиков охраны или сигнализа-
ции);
— при постановке объекта на охрану;
— при снятии объекта с охраны;
— при отключении/включении внешнего питания на объекте;
— при включенной команде на передачу GPS координат по-
движного объекта (при наличии GPS приемника) с задавае-
мой периодичностью (см. п. 5);
— при включенном режиме тревоги и при изменении GPS ко-
ординат.
4. Передача SMS сообщений по запросу с управляющих теле-
фонов:
— о текущем статусе СТРАЖ'а (режим охраны, состояние ис-
точников питания, состояние входов и выходов управления);
— об остатке средств на счету СТРАЖ'а по коду оператора (на-
пример, *100# для МТС), записанному в ячейку памяти
123
3. Система охранной сигнализации
SIM-карты, двузначный номер которой (например, 49
(149)), в свою очередь, записывается в последние два поля
(7-е и 8-е) ячейки 50 (150) SIM-карты (см. табл. 3.2 и 3.3);
— о GPS координатах объекта (например автомобиля).
5. Дистанционное управление СТРАЖ'ем и подключенными к
нему устройствами с помощью DTMF команд (в тональном ре-
жиме):
— постановка или снятие объекта с охраны, (команды *348 и
*340 соответственно);
— получение информации о состоянии СТРАЖ'а в виде SMS
(*782) на номер управляющего телефона, с которого был
звонок с DTMF командой;
— получение информации в виде SMS об остатке средств на
счете (*724);
— включение/выключение всех входов (*068 и *060) (по умол-
чанию включены);
— раздельное включение/выключение первого (*418 и *410) и
второго (*428 и *420) входов;
— раздельное включение/выключение любого из пяти выходов
(*028 и *010; *038 и *020; *038 и *030; *048 и *040; *058 и
*050; *068 и *060);
— запрос текущих GPS координат (*818);
— включение периодической отправки GPS координат каждую
минуту (*828), каждые 10 мин (*838), каждые 30 мин (*848),
каждый час (*858) или каждые 6 час (*868);
— включение режима тревоги при изменении GPS координат
(*878);
— выключение режимов отправки GPS координат й тревоги
при их изменении (DTMF команда *870).
При выполнении перечисленных команд с управляющего теле-
фона набирается номер СТРАЖ'а, который до поднятия трубки
сравнивает телефонный номер звонящего с телефонными номера-
ми, записанными в ячейках, номера которых указаны в 50-ой
ячейке (см. табл. 3.2 и 3.3). Если он не соответствует ни одному из
них, то СТРАЖ выполняет отбой; при положительном результате
СТРАЖ снимает трубку и подает длинный звуковой сигнал, после
которого в течение 3-х секунд (около 0,5 секунды на каждый сим-
вол) на клавиатуре необходимо набрать DTMF команду, иначе
произойдет отбой. Если команда получена и распознана, то пере-
124
3.6. Блок оповещения и дистанционного управления
дается длинный звуковой сигнал и отбой, при неудаче — два ко-
ротких звуковых сигнала, после чего в течение 3-х секунд необхо-
димо повторить ввод команды.
6. Программируемые параметры, составляющие так называе-
мый профиль настроек и заносимые в 16 полей ячейки с уникаль-
ным номером 51 (151) SIM-карты СТРАЖ'а (см. примеры профи-
лей в табл. 3.2 и 3.3):
6.1. Время задержки (00...99 с) постановки системы на охрану
(поля 1, 2 ячейки 51).
6.2. Время задержки (00...99 с) срабатывания системы после
снятия ее с охраны (поля 3, 4).
6.3. Максимальное количество (0...9) тревожных звонков на 1-й
(поле 5), 2-й (поле 6) и 3-й (поле 7) управляющие телефоны;
при установке 0 СТРАЖ не будет звонить на данный номер.
6.4. Настройка порядка отправки SMS на 1-й (поле 8), 2-й
(поле 9) и 3-й (поле 10) телефоны, записанные в ячейках памя-
ти SIM карты СТРАЖА'а, двузначные номера которых, в свою
очередь, записываются в первых шести полях ячейки 50 (150)
(см. табл. 3.2 и 3.3):
0 — SMS на указанные номера отправляться не будут;
1 — отправка SMS на указанные номера при тревоге;
2 — SMS при постановке/снятии с охраны;
3 — SMS при постановке/снятии с охраны и при тревоге;
4 — SMS при выключении/восстановлении питающей сети;
5 — SMS при тревоге и выключении/восстановлении
питающей сети;
6 — SMS при постановке/снятии с охраны
и при выключении/восстановлении питающей сети;
7 — SMS на указанные номера при тревоге, постановке/снятии
с охраны и выключении/восстановлении питающей сети;
>7 — соответствует нулевому значению параметра.
6.5. Настройка логики работы входов Ini, In2 и In* (поле 11)
(см. рис. 3.11):
0 — нет инверсии по всем входам (включая In*); при этом ак-
тивным уровнем является логическая 1, например, при
срабатывании датчика с нормально замкнутыми контакта-
ми (наиболее типичный случай);
1 — инверсия по входу In* (вход постановки/снятия с охраны);
активный уровень — логический 0, т. е. при ручной поста-
125
3. Система охранной сигнализации
новке на охрану вход замыкается ключом на обшую шину
и размыкается при снятии с охраны;
2 — инверсия по входу Ini (фиксация срабатывания датчика с
нормально разомкнутыми контактами);
3 — инверсия по входам Ini и In*;
4 — инверсия по входу 1п2;
5 — инверсия по входу 1п2 и In*;
6 — инверсии по входам Ini и 1п2;
7 — инверсия по всем входам (включая 1п*).
6.6. Настройка порядка опроса входов Ini и 1п2 (поле 12):
О — входы Ini и 1п2 выключены (использование СТРАЖ'а в
режиме дистанционного управления командами DTMF);
1 — включен Ini;
2 — включен 1п2;
3 — включены Ini и 1п2;
>3 — равносильно 0.
6.7. Настройка порядка функционирования мобильного теле-
фона СТРАЖ'а при формировании тревожного звонка (поле 13):
0 — сразу отбой;
1 — подача звукового сигнала и отбой;
2 — включение встроенного микрофона (над разъемом PWR
СТРАЖ'а) на 1 минуту для аудио контроля помещения и
отбой;
3 — подача звукового сигнала, включение встроенного микро-
фона на 1 минуту и отбой;
> 3 — равносильно 0.
6.8. Подключение/отключение входов In*, Ini и In2 через рези-
сторы сопротивлением 2 кОм к внутренней шине питания
СТРАЖ'а (цепь смещения, названная в инструкции «подтяжкой»)
с целью уменьшения влияния дребезга контактов датчиков или
переключателей (поле 14):
0 — цепь смещения отключена;
1 или любое число — цепь смещения подключена; учитывая,
что входное сопротивление любого входа равно 10 кОм (см. п. 7),
то в этом случае при номинальном напряжении питания 4 В на-
пряжение на входах с учетом сопротивления цепи смещения будет
равно 4-10/(10 + 2) > 3 В, что соответствует уровню логической
единицы (см. п. 7).
126
3.6. Блок оповещения и дистанционного управления
6.9. Настройка выхода Out5 (см. рис. 3.11) (поле 15) при его ис-
пользовании:
О — в обычном режиме, в том числе и при управлении DTMF
командами;
1 — для подключения внешнего индикатора, дублирующего
красный светодиод индикации режимов работы СТРАЖ'а
(см. п. 9);
2 — в качестве формирователя сигналов тревожного извещения
(непрерывный сигнал), при постановке на охрану (один
короткий) и при снятии с охраны (два коротких);
> 2 — равносильно 0.
6.10. Настройка GPS режима (поле 16):
0 — выходные данные GPS приемника игнорируются;
1 — периодическая отсылка SMS с GPS координатами в соот-
ветствии с DTMF командой *8x8, где х определяется зна-
чением периода оправки SMS (см. п. 5);
2 — режим «интеллектуальной» GPS охраны, при котором зво-
нок и SMS передаются через каждые 200 метров измене-
ния координат объекта;
>2 — равносильно 0.
В СТРАЖ'е GPS данные поступают в наиболее часто использу-
емом формате RMC (Recommended Minimum specific data), пред-
ставленном таблицей 3.1 [12]:
Таблица 3.1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
hhm.mss.ss A/V ggmm.ssss N/S ggmm.ssss E/W x.x x.x ddmmyy x.x E/W *hh
где:
1 — время фиксации местоположения по шкале Всемирного
времени UTC (Для Москвы +4 ч — летом и +3 ч — зимой);
2 — статус данных: А — достоверные данные, V — недостовер-
ные;
3 , 5 — географические широта и долгота местоположения соот-
ветственно;
4 , 6 — положение широты (Север/Юг (N/S)) и долготы (За-
пад/Восток (E/W)) соответственно;
7 — скорость над поверхностью Земли (SOG);
8 — истинное направление курса в градусах;
127
3. Система охранной сигнализации
9 — дата: dd/mm/yy;
10 — магнитное склонение в градусах;
11 — Запад/Восток (E/W);
12 — контрольная сумма строки.
Пример сообщения:
SGPRMC.113650.0, А,5548.607, N,03739.387, Е,000.01,255.6,210403,08.7, Е*69
В СТРАЖ'е обозначение SGPRMC и данные столбцов 10, 11 и
12 не выводятся.
В инструкции по эксплуатации СТРАЖ'а приводятся примеры
схем подключения датчиков и исполнительных устройств и соот-
ветствующие им следующие профили настроек:
0000999777133122 — система охраны автомобиля;
2525555777133110 — система охраны помещений;
1010333555733001 — дополнительная (к основной) система
охраны автомобиля.
7. Электрические параметры входов:
— типы подключаемых датчиков: цифровые (контактные) или
аналоговые;
— уровни входных сигналов: логическая единица — не менее
3 В; логический ноль — не более 0,8 В; максимальное на-
пряжение (для аналоговых датчиков) — не более 18 В;
— входное сопротивление — около 10 кОм;
— наибольшее сопротивление замкнутого шлейфа — не более
3 кОм.
8. Электрические параметры выходов:
— максимальное коммутируемое постоянное напряжение —
30 В;
— максимальный коммутируемый ток — 0,2 А;
— суммарный ток нагрузки всех выходов управления — не бо-
лее 0,5 А.
9. Средства отображения режимов работы СТРАЖ'а:
— зеленый индикатор «Сеть»: непрерывное свечение — вклю-
чено питание СТРАЖ'а; медленное прерывистое свече-
ние — включение GSM модуля, чтение данных из SIM- кар-
ты; частое прерывистое свечение — поиск сети GSM; непре-
рывное свечение с однократным коротким прерыванием —
сеть GSM с нормальным уровнем сигнала; то же, но с дву-
128
3.6. Блок оповещения и дистанционного управления
кратным коротким прерыванием — сеть GSM со средним
уровнем сигнала; то же, но с трехратным коротким прерыва-
нием — сеть GSM со слабым уровнем сигнала; если при
удовлетворительном уровне GSM сигнала индикатор мигает
с частотой 1 Гц в течение более 2 мин, то необходимо прове-
рить правильность программирования ячеек 50 (150) и 51
(151);
— красный индикатор «Охрана»: непрерывное свечение —
СТРАЖ находится в режиме «Охрана»; медленное (с часто-
той 1 Гц) прерывистое свечение — работа СТРАЖ'а в режи-
ме отработки задержки перед постановкой в режим «Охра-
на», перед тревожным сообщением или сработавшем датчи-
ке (СТРАЖ не может встать на охрану); частое прерывистое
свечение — формирование тревожного сообщения;
— желтый «Индикатор GPS»: нет свечения — GPS приемник
не подключен или отключен режим GPS в 16-ом поле 51-ой
ячейки SIM карты (см. п. 6); медленное прерывистое свече-
ние — GPS данные недостоверны; непрерывное свечение —
поступление достоверных GPS данных;
— жидкокристаллический дисплей: отображение уровня GSM
сигнала и уровня заряда аккумулятора, запрос на установку
SIM карты, отображение номера звонящего управляющего
или другого («чужого») телефона (в последнем случае сразу
следует отбой) и др.;
— внешние индикаторы и сигнализаторы, подключаемые к вы-
ходу Out5 согласно записи в 15-ом поле 51-ой ячейки SIM
карты (см. п. 6).
10. Электропитание:
— зарядные устройства с выходным стабилизированным на-
пряжением +5 В с использованием сетевого адаптера ~220 В
или бортовой сети +12 В автомобиля;
— резервный источник — литиевый аккумулятор емкостью
1000 мА ч —обеспечивает автономную работу системы около
2 суток.
!!! Нельзя подключать или отключать GPS приемник при работа-
ющем СТРАЖ'е: это может привести к выходу его из строя.
11. Рабочий диапазон температур: от —40 до +70°С (при под-
ключенном зарядном устройстве); при отрицательных температу-
129
3. Система охранной сигнализации
рах (ниже — 10°С) СТРАЖ помещается в термоизолируюшую упа-
ковку (например, из пенопласта).
12. Габаритные размеры: 130 х 43 х 20 мм.
13. Проверка работоспособности СТРАЖ'а —производится с
помощью тестовой платы, входящей в комплект поставки и содер-
жащей (см. рис. 3.11) разъем для подключения к СТРАЖ'у, разъ-
ем PWR для подключения источника питания напряжением
3...12 В, пять светодиодов Д1—Д5 с ограничительными резистора-
ми R1—R5 для индикации режимов работы выходов Outl— Out5 и
переключателей П1—ПЗ для имитации режимов работы входов
In*, In2 и Ini. Конструктивным недостатком платы является то,
что ее переключатели и светодиоды оказываются с тыльной сторо-
ны СТРАЖ'а и поэтому невозможно одновременно наблюдать за
состоянием его дисплея и светодиодов платы, поскольку они ока-
зываются с разных сторон.
Для питания платы использовался автомобильный адаптер,
подключенный к шине +12 В блока питания охранной системы
(рис. 3.10).
После установки запрограммированной SIM карты и подключе-
ния GPS приемника включение СТРАЖ'а производится путем за-
мыкания контактов Щ и Е=] его разъема перемычкой на плате
(указанные контакты можно использовать также для проверки на-
пряжения встроенного аккумулятора). После этой операции к разъ-
ему PWR СТРАЖ'а целесообразно подключить сетевой адаптер.
В исходном состоянии переключатели платы находятся в пока-
занном на рис. 3.11 положении (их движки смещены в сторону
130
3.6. Блок оповещения и дистанционного управления
светодиодов (СТРАЖ'а)), при котором на все входы подается сиг-
нал логического нуля. После включения питания на дисплее
СТРАЖ'а появляется заставка, затем — название оператора сото-
вой сети с мнемонической линейкой уровня GSM сигнала. При
этом поведение зеленого светодиода («Сеть») сопровождается раз-
личными режимами его свечения, описанными в п. 9.
Проверка производится в соответствии с содержимым профиля
в табл. 3.2, где в ячейку 46 S1M карты записан номер управляюще-
го мобильного телефона, в ячейку 47 — номер управляющего теле-
фона МГТС (третий телефон (ячейка 48) не используется), в ячей-
ку 49 — код запроса баланса счета оператора МТС, в ячейку с
уникальным номером 50 — номера ячеек с номерами управляю-
щих телефонов, в ячейку с уникальным номером 51 — настройки
профиля:
— нулевые задержки при постановке/снятии с охраны (0000);
— три тревожных звонка на 1-ый и 2-ой управляющие телефо-
ны (330);
— отправка SMS на 1-ый телефон (второй не может их прини-
мать) при постановке/снятии с охраны и при тревоге (300);
— инверсия по входу In*, используемому при постановке/сня-
тии с охраны переключателем ПЗ (цифра 1 в поле 11);
— разрешение на использование входов Ini и In2 (цифра З в
поле 12);
— реакция СТРАЖ'а с уведомлением на оба управляющих те-
лефона в виде тревожного звонка (звукового сигнала), аудио
контроля помещения в течение 1 мин с последующим отбо-
ем (цифра 3 в поле 13);
— подключение всех входов к внутренней цепи смещения
(«подтяжка») (цифра 1 в поле 14);
— использование выхода Out5 в качестве формирователя сиг-
налов тревожного извещения (непрерывный сигнал), при
постановке на охрану (один короткий) и при снятии с охра-
ны (два коротких) (цифра 2 в поле 15);
— Настройка на периодическую отправку SMS с GPS коорди-
натами в соответствии с DTMF командой *8x8, где х опреде-
ляется значением периода оправки SMS (см. п. 5) (цифра 1 в
поле 16).
Заметим, что пробелы между цифрами содержимого ячеек вве-
дены с целью улучшения их читабельности.
131
3. Система охранной сигнализации
Таблица 3.2
№ ячейки Содержание ячеек
46 (146) 8 XXX XXX хххх
47 (147) 8 495 ххх хххх
48 (148) —
49 (149) *100#
50 (150) 46 47 00 49
51 (151) 0000 330 300 1 3 3 1 2 1 ==============±==============^
Выбрав положение СТРАЖ'а из условия достаточно высокого
уровня GSM сигнала, можно приступать к его испытаниям, вы-
полняя следующие операции:
13.1. Переводим переключатель ПЗ в верхнее положение (на
плате — от светодиодов), что сопровождается двукратным мигани-
ем светодиода Д5, прекращением свечения красного светодиода
СТРАЖ'а («Охрана») и посылкой на управляющий телефон SMS
сообщения «Охрана выкл.».
13.2. Переводим переключатель ПЗ в исходное нижнее положе-
ние (на Плате — к светодиодам), что сопровождается однократным
миганием светодиода Д5, переводом красного светодиода «Охра-
на» в постоянное свечение и Посылкой на управляющий телефон
SMS сообщения «Охрана вкл.».
13.3. Переводим переключатель П1 в верхнее положение (на
плате — ot светодиодов) И затем в исходное нижнее (сработал дат-
чик йа входе Ini И Вернулся В исходное состояние). При этом
краснЬ1й светодиод СТРАЖ'а начнет часто мигать, на телефон
придет SMS сооб1цеНиё «Тревога 1...» и затем будет трижды произ-
веден дозвон. Если на управляющем телефоне Произвести отбой,
то красный светодйод СТРАЖ'а должен перёйти В постоянное
свечение. При отработке тревоги светодиод Д5 должен светиться
Постоянно, а после окончания отработки — Погаснуть.
13.4. Повторяем П. 13.3 для Переключатели П2.
13.5. Позвонив на номер СТРАЖ'а и услышав в трубке звуко-
вой сигнал, наберем команду *782. В ответ должен раздаться длин-
ный звуковой сигнал с последующим отбоем, после чего на управ-
ляющий телефон при отключенном GPS приемнике поступит
132
3.6. Блок оповещения и дистанционного управления
SMS о статусе устройства «12V есть, охрана вкл., выходы выкл.,
GPS-нет».
13.6. Позвонив на СТРАЖ и услышав в трубке звуковой сигнал,
наберем команду *018, после чего должен засветиться светодиод
Д1, свечение которого прекращается при повторном звонке на
СТРАЖ и передаче команды *010.
13.7. Повторяем п. 13.6 с командами *028/*020 (для светодиода
Д2), *038/*030 (для светодиода ДЗ) и *048/*040 (для светодиода
Д4), убедившись в их выполнении.
13.8. После подключения GPS приемника дождемся момента,
когда с него начнут поступать достоверные данные, сопровождае-
мые равномерным миганием его индикатора и постоянным свече-
нием желтого светодиода СТРАЖ'а «Индикатор GPS».
13.9. Позвонив на номер СТРАЖ'а и услышав в трубке звукб-
вой сигнал, наберем команду *818, в результате чего получим
SMS сообщение с GPS координатами в формате RMC (см.
табл. 3.1).
При испытаниях СТРАЖ'а использовался GPS приемник
HI-204S компании HiCOM (Тайвань) с характеристиками [12]:
1. Чувствительность — —165 дБВт (величина, типичная практиче-
ски для всех GPS-приемников такого класса).
2. Погрешность позиционирования при выключенном на спутни-
ках американской GPS (зависит от настроения министерства
обороны США) режиме ограниченного доступа S/A (Selective
Availability):
2.1. СЕР (Circular Error Probable) — круговая вероятная ошибка,
определяемая радиусом круга, который содержит 50 % ошибок, —
25 метров.
2.2. Погрешность определения времени — 0,1 с.
3. Режимы пуска (Acquisition):
3,1. Холодный старт (Cold start) — 48 с.
3.2. Теплый старт (Warm start) — 38 с.
3.3, Горячий старт (Hot start) — 8 с.
Указанные в п. 3 значения времени часто называют' TTFF
(Time То First Fix) это время, необходимое для захвата минима-
льного числа запеленгованных спутников и достаточное для даль-
нейших вычислений для холодного старта (первое включение при-
емника), теплого (выключение приемника на время удержания в
133
3. Система охранной сигнализации
памяти последнего альманаха запеленгованных спутников) и горя-
чего старта (кратковременное выключение приемника).
4. Скорость обновления информации на выходе приемника
(Update Rate) —1 Гц.
5. Время восстановления приемником связи со спутниками по-
сле временного выхода из зоны покрытия (Reacquisition) — 100 мс.
6. Динамические характеристики:
6.1. Предельные значения рабочих высот — —1000... 18000 м
(важно для самолетных GPS).
6.2. Предельная скорость подвижного объекта — 500 м/с.
6.3. Предельное ускорение — 4 g.
7. Рабочая температура — —2О...+75°С.
8. Температура хранения (Storage) — —55...+90°С.
9. Влажность (Humidity) — 5...95 % (водостойкое герметичное
исполнение).
10. Напряжение питание — +(3,8...8) В; испытания показали,
что минимальное значение напряжения питания составляет 2,8 В
при потребляемом токе не более 80 мА (25 мА при наличии схемы
управления энергосбережением).
11. Приемник в базовом исполнении снабжен кабелем длиной
около 1,5 м с разъемом PS/П (как у СТРАЖ'а) и (за отдельную
плату) переходниками PS/П—USB и PS/П—DB9 (СОМ).
Исйытанйя приемника совместно со СТРАЖ'ем через тройное
оконное стекло на втором этаже показали, что даже в этих услови-
ях обеспечивается правильное определение координат его место-
положения.
Схема подключения СТРАЖ'а к нашей охранной системе со-
держит (см. рис. 3.12) переключатель Ш для ручной постановки и
снятия с охраны (см. п. 13), переключатель П2 для включения
СТРАЖ'а, внешний индикатор режимов работы СТРАЖ'а на све-
тодиоде Д2, подключенный к выходу Out5 (устанавливается в слу-
чае, если аналогичный по выполняемым функциям собственный
индикатор «Охрана» по каким-либо причинам недоступен). Выход
нашей охранной системы (нормально замкнутые контакты К.1, К2
реле Р на рис. 3.4) подключаются ко входу Ini. Выход Out2 испо-
льзуется для управления DTMF командами *020/*028 реле типа
РЭС55А, нормально разомкнутые контакты которого КЗ, К4 выве-
дены на две клеммы (см. фото на рис. 3.12, б) и могут быть испо-
льзованы/ в свою очередь, для управления тиристорной схемой
134
3.6. Блок оповещения и дистанционного управления
включения/выключения освещения (например, для имитации
присутствия в вечернее время).
Дистанционное управление постановкой/снятием с охраны осу-
ществляется с выхода Out3 DTMF командами *030/*038: при по-
становке на охрану транзисторный ключ выхода Out3 (вход ДУ1
блока управления БУ на рис. 3.4) переводится в закрытое состоя-
ние, в результате чего на резисторы R8—Rl 1 подается напряжение
+ 12 В логической единицы и тем самым разрешается работа датчи-
ков А1, А2, И1, И2; при снятии с охраны транзисторный ключ вы-
хода Out3 переводится в открытое состояние, в результате чего за
счет падения напряжения на резисторе R18 (см. рис. 3.4) на рези-
сторы R8—R11 подается практически нулевое напряжение (логи-
ческий нуль) и тем самым блокируется работа указанных датчиков.
Дистанционное управление включением/выключением сирены
(рис. 3.8, вход ДУ2) производится с выхода Out4 DTMF команда-
ми *048/*040, под действием которых резистор R13 в блоке сигна-
лизации (см. рис. 3.8) подключается или отключается от общей
шины, что приводит к открыванию или закрыванию транзистора
Т2, управляющего напряжением питания сирены. Заметим, что
остающиеся свободными вход 1п2 й вдабд ОиПмогут быть исполь-
зованы для подключения дополнительного шлейфа датчиков (на-
пример, аварийной и пожарной сигнализации) и дистанционного
включения/выключения различных бытовых приборов (по анало-
гии с Out2).
Питание СТРАЖ'а производится от блока питания охранной
системы (рис. 3.10) с использованием стабилизатора на ИМС
КР142ЕН5В, включенной по стандартной схеме. Поскольку резер-
вный источник питания охранной системы обладает достаточно
большой мощностью (аккумулятор емкостью 4,7 А ч), то в части
бесперебойного питания СТРАЖ в данном случае обладает повы-
шенной надежностью по энергообеспечению.
Конструктивно блок сопряжения СТРАЖ'а с охранной систе-
мой выполнен на монтажной плате, размещенной в пластмассо-
вой коробочке из-под ЗИП'а (см. фото на рис. 3.12, б), и соединя-
ется с разъемом блока управления кабелем длиной около 0,5 м с
7-контактным отрезком разъема ОНП-8-21, а со СТРАЖ'ем —
входящим в его поставку кабелем с 10-контактным разъемом.
Содержимое профиля для программирования SIM карты
СТРАЖ'а для рассматриваемого случая представлено, в табл. 3.3,
которая отличается от табл. 3.2 следующим:
135
3. Система охранной сигнализации
а)
Рис. 3.12. Схема и конструкция блока сопряжения СТРАЖ'а
с охранной системой
— в качестве управляющих использованы два мобильных теле-
фона, один из которых (в ячейке 46) является основным, а в
ячейке 47 — резервным; поэтому в ячейке 50 активизирован
только первый телефон и только для него в ячейке 51 преду-
смотрены тревожные звонки (запись 300) и отправка SMS
(вторая запись 300);
— вместо нулевых введены 30-секундные задержки постанов-
ки/снятия с охраны (запись 3030 в ячейке 51); задержки за-
даются в основном блоком управления (см. разд. 3.3);
— разрешение на использование входа Ini для постанов-
ки/снятия с охраны переключателем П1 (цифра 1 в поле 12
ячейки 51) ;
— разрешение на использование выхода Out5 для дублирова-
ния работы светодиода «Охрана» внешним индикатором
(цифра 1 в поле 15 ячейки 51);
136
Список схемных файлов
— запрет на обслуживание GPS приемника из-за ненадобности
(цифра 0 в поле 16 ячейки 51).
Таблица 3.3
№ ячейки Содержание ячеек
46 (146) 8 XXX XXX хххх
47 (147) 8 XXX XXX хххх
j 48 (148) —
। 49 (149) *100#
1 50 (150) 46 00 00 49
51 (151) 3030 300 300 1 1 3 1 1 0
Список схемных файлов
Перечисленные ниже схемные файлы находятся в архиве
pics-pri.zip объемом 24653 байт на сайте издательства
www.solon-press.ru.
1. 2-l.ewb — схема модели аккумулятора.
2. 3-1.са4 — схема модели акустического датчика.
3. 3-2.са4, 3-3.са4 — схема моделей элементов формирователя
аудио сигнала.
4. 3-4.са4, 3-5.са4 — схема моделей элементов блока управле-
ния.
5. 3-6.са4 — схема модели формирователя временных интерва-
лов.
137
Литература
I. Сергиенко А. Б. Цифровая обработка сигналов. C-Пб.: Питер,
2002, 603 с.
2. Карлащук В. И. Электронная лаборатория на IBM PC I Том. I.
Моделирование элементов аналоговых систем на Electronics
Workbench и MATLAB. Изд. 6-е пер. и доп. М.: Солон-Пресс,
2007, 720 с.
3. Карлащук В. И. Электронная лаборатория на IBM PC / Том II.
Моделирование элементов телекоммуникационных и цифровых
систем на VisSim и Electronics Workbench (+ CD). Изд. 6-с пер.
и доп. М.: Солон-Пресс,' 2007, 640 с.
4. Карлащук В. И., Карлащук С. В. Цифровая фото- и видеотехни-
ка дома и в офисе. М.: Солон-Пресс, 2003, 384 с.
5. Багоцкий В. С., Скундин А. М. Химические источники тока.
М.: Энергоиздат, 1981, 360 с.
6. Кромптон Т. Первичные источники тока. М.: Мир, 1986, 326 с.
7. Романов В. В., Хашев Ю. В. Химические источники тока. М.:
Советское радио, 1968, 384 с.
8. Деордиев С. С. Аккумуляторы и уход за ними. К.: Техшка, 1985,
136 с.
9. Лаврус В. С. Источники энергии. К.: Наука и техника, 1995,
148 с.
10. Мурыгин И. В. Электродные процессы в твердых электроли-
тах. М.: Наука, 1991, 351 с.
11. Лаврус В. С. Охранные системы. К.: Наука и техника, 199,
248 с.
12. Карлащук В. И., Карлащук С. В. Спутниковая навигация. Ме-
тоды и средства. М.: Солон-Пресс, 2006, 176 с.
138
Содержание
Введение.................................................3
1. Инструментальные средства на базе аудио карты IBM PC..7
1.1. Входное устройство для аудио карты...............10
1.2. Программа Sound Card Analyzer 2.0...............12
1.3. Программа Analyser..............................19
1.4. Программа Oscilloscope 2.51...................24
1.5. Программа SpectraLab............................29
1.5.1. Режимы измерения и отображения результатов.29
1.5.2. Измерительные приборы.....................41
1.5.3. Базовые настройки программы...............45
1.5.4. Примеры использования программы...........53
1.6. Имитаторы генераторов...........................61
1.7. Другие программы................................63
2. Химические источники тока (ХИТ)......................65
2.1. Классификация и параметры ХИТ...................66
2.2. Электрохимические системы гальванических элементов..72
2.3. Электрохимические системы аккумуляторов.........79
2.4. Моделирование разрядной характеристики
никель-кадмиевых аккумуляторов.......................85
2.5. Зарядное устройство для малогабаритных
аккумуляторов........................................89
3. Система охранной сигнализации........................97
3.1. Структурная схема системы......................104
3.2. Акустический датчик............................106
3.3. Блок управления................................109
3.4. Блок сигнализации..............................116
3.5. Другие блоки системы...........................119
3.6. Блок оповещения и дистанционного управления....121
Список схемных файлов....................................137
Литература...............................................138
139