Генрих Кардашев - Радиоэлектроника-с компьютером и паяльником
Рис. 117. Виртуальная модель в EWB пьезоизлучателя:
а — схема замещения; б — АЧХ; в — схема исследования модельного компонента; г — окно выбора модели; д — окно редактирования свойств
Поскольку нас в первую очередь интересует принцип действия устройства, то численные значения параметров выбраны несколько произвольно, но так, чтобы работа модели «полуколичественно» согласовывалась в дальнейшем со схемой возбуждающего генератора.
В данной схеме наблюдаются два резонанса (рис. 117, б) в последовательном контуре — резонанс напряжений (верхний пик) и в параллельном контуре резонанс токов (нижний пик), что хорошо видно на экране Боде-плоттера. Для параметров, указанных на схеме, резонансная частота последовательного контура примерно равна 22 кГц, а для параллельного — выше (67 кГц).
В разделе смесь программы EWB можно также открыть готовый схемный компонент Crystal (кристалл) и собрать аналогичную схему для его исследования (рис. 117, в).
Свойства пьезокварца выбираются в соответствующих последовательно открываемых окнах (рис. 117, г, д).
Параметры выбранного резонатора Р соответствуют использованным в предыдущей схеме замещения (см. рис. 117, а), поэтому АЧХ, получаемая на Боде-плоттере, будет идентична показанной на рис. 117, б, и здесь не приводится.
Для исследования поведения реального излучателя можно воспользоваться следующим устройством.
Миниатюрный излучатель Мастер КИТ АК076
Внешний вид этого излучателя был показан (см. рис. 19, а); его технические характеристики таковы: полоса частот 2,5…45 кГц, размеры 30x14 мм.
Проведя опыты и ознакомившись с пьезоизлучателем, на его основе можно создать полезное устройство для дома, для семьи.
Ультразвуковой свисток для собак Мастер КИТ NK028
…Монмаранси всякий раз усаживался рядом и сопровождал исполнение заунывным воем…
«Какого черта он так воет, когда я играю?» — возмущался Джордж, запуская в него башмаком.
«А какого черта ты так играешь, когда он воет?» — продолжал Гаррис, подхватывая башмак, — «оставь его в покое. Как ему не выть! У него музыкальный слух, а от твоей игры поневоле завоешь».
Джером К. Джером. «Трое в одной лодке, не считая собаки»
У английского писателя Джерома К. Джерома не было ультразвукового свистка, не было у него и собственной собаки, до тех пор, пока он не приехал в Россию, где ему и подарили точно такого же фокстерьера, как воспетый им Монмаранси…
Сохранить покой окружающих ранним утром или поздним вечером во время прогулки с собакой Вам поможет не слышный человеческому уху ультразвуковой свисток. Чуткое ухо Вашего любимца мгновенно уловит ультразвуковой сигнал даже на сравнительно больших расстояниях, и эти сигналы не будут повторять несносных звуков банджо, которые извлекал Джордж. При желании вы сможете натренировать Вашу собаку адекватно реагировать на привычные команды в ультразвуковом исполнении…
Это компактное устройство может работать от батарейки. Набор укомплектован пьезоизлучателем.
Принципиальная схема устройства показана на рис. 118, а, собранной в виде виртуальной модели в программе EWB.
В модели сохранены параметры и позиционные обозначения оригинала. Устройство представляет собой обычный мультивибратор на двух NPN-транзисторах VT1 и VT2 и усилительный каскад на PNP-транзисторе VT3. Регулировка частоты повторения импульсов осуществляется резистором R6. На выход усилителя подключен пьезоизлучатель Р, параметры которого мы выбрали, как и ранее, в соответствии с рис. 117, д. Дополнительно в модель подключен осциллоскоп и «датчик тока» в нагрузке Ri.
Сделав необходимые установки на осциллоскопе, включив моделирование и питание (ключ Е), наблюдаем картину колебаний на экране осциллоскопа (рис. 118, б).
Рис. 118. Ультразвуковой свисток для собак Мастер КИТ NK028:
а — виртуальная модель в EWB; б — осциллограмма колебаний; в — общий вид
Верхний луч (канал А) регистрирует ток в преобразователе, а нижний (канал В) — напряжение на нем. Звуки, а точнее ультразвуки, воспроизводимые реальным устройством, в общих чертах будут похожи на кривую тока.
От виртуальности переходим к реальности.
Устройство монтируется на плате А501 размером 27x55 мм в соответствие с приложенным описанием и заключается в корпус BOX-G027. К устройству подключается батарейка с кнопкой и пьезоизлучатель (рис. 118, в).
Уровень и высота тона (в пределах 8…22 кГц) регулируются подстроечным резистором R6. Теперь предстоят «полевые испытания».
Запасаемся колбасой и отправляемся натаскивать своего четвероногого друга на нужные нам команды. Здесь полезно предварительно прочитать, как промышлял собаками бравый солдат Швейк. Впрочем, даже «мягкая дрессура» — занятие посложнее электроники…
«Не пройти, никогда, никакому врагу!»В природе не только (и даже, пожалуй, не столько) собаки, но и в еще большей мере летучие мыши, дельфины и киты используют ультразвук для коммуникаций, определения различных целей и ориентации в пространстве.
После гибели «Титаника», когда он оказался фактически «слепым» в водной среде, и позже, в связи с разбоем немецких подводных лодок в водах Атлантики в период Первой мировой войны, многие задумались над тем, а как же можно «прозреть» в морских глубинах. Сама задача стояла и раньше: первые гидроакустические приборы «гидрофоны» испытывались в Галерной гавани Петербурга еще в конце XIX в., но в них не применялась пьезо- или магнитострикция, и поэтому они были весьма примитивными (не «браконьерский свисток», но близко к нему).
Творцом первого гидролокатора является наш соотечественник, к сожалению, несправедливо забытый, эмигрировавший из России задолго до революции сначала во Францию, а затем в США, К. В. Шиловский. Металлокварцевый излучатель ультразвука, созданный Шиловским, лег в основу так называемого «пакета Ланжевена», а используемая система гидролокации содержала все необходимые современные атрибуты: генератор электрических колебаний, излучатель, приемник и индикатор. В англоязычной литературе это устройство называется сонаром (SONAR — SOund Navigation And Randing — звуковая навигация и определение дальности), а в русскоязычной — гидролокатором. По аналогии с сонаром устройство, использующее радиоволны для радиообнаружения и определения дальности, назвали радаром (RADAR — Radio Detection And Randing), или радиолокатором.
В системах охранной сигнализации, предназначенных для обнаружения несанкционированного проникновения на объект (детекторы движения, барьеры), используются два идентичных преобразователя, один из которых служит излучателем, а другой — прием ником ультразвука. Возможна работа и с одним приемоизлучающим устройством на отраженных сигналах, в режиме переключения передача/прием. При пересечении ультразвукового пучка, созданного излучателем (невидимого и неслышимого), в приемнике возникает импульсный сигнал, отрабатываемый в соответствующей системе.
Примером подобной системы служит описываемый ниже «Ультразвуковой радар» NS167 (здесь слово «радар» использовано в условно-собирательном смысле), правильнее его назвать «Ультразвуковым локатором» или, пользуясь терминологией, принятой в охранных системах, «Ультразвуковым барьером».
Ультразвуковой барьер Мастер КИТ NS167
Ультразвуковой барьер предназначен для использования в качестве акустического датчика в охранной сигнализации. Это простое и интересное устройство позволяет обнаружить движение любых физических объектов в закрытом помещении или автомобиле (детектор движения). Устройство имеет регулировку чувствительности детектора. Максимальный радиус действия 10 м. Принципиальная схема барьера показана на рис. 119, а.
Схема устройства состоит из трех блоков: усилителя на биполярном транзисторе TR3 (типа ВС 547) и двух ОУ IC1 и IC2 (типа 741); логического устройства на двух элементах NAND (N3, N4) и двух биполярных транзисторах TR1, TR2 (также типа ВС 547); автогенератора ультразвуковых электрических колебаний на основе двух элементов NAND (N1, N2) и пьезопреобразователя Т (TRANSMITTER — передатчик), включенного в цепь ОС (выводы 5, 6). Здесь и далее выводы на плате обозначаются в круглых скобках, а на микросхеме без них. Элементы N1-N4, показанные на принципиальной схеме (в стандарте ANSI) в разнесенном виде, входят в состав КМОП микросхемы 4093 (аналог — К561ТЛ1) и представляют собой триггеры Шмитта, на входе каждого из которых стоит двухвходовой элемент NAND, причем они, кроме N4, использованы как инверторы.
