А. Н. Туполева кафедра Телевидения и мультимедийных систем устройства записи и воспроизведения сигналов методические указания

Вид материала

Методические указания

Содержание Исследование узлов канала записИ и ВоспроизведениЯ АУДИОМагнитофона Основные понятия и определения Сигналограмма звуковая (фонограмма, аудиограмма Канал записи Канал сквозной Тракт сквозной Тракт записи-воспроизведения Амплитудно-частотная характеристика Амплитудно-частотная характеристика аудиомагнитофона 2. АЧХ идеального ТЗВ 3. АЧХ реального ТЗВ Щелевые потери Слойные потери Результирующий коэффициент По известной амплитудно-волновой характеристике можно определить и АЧХ ТЗВ. Подставляя (5) в (2) вычислим ЭДС на один виток ГУ Из (6) видно, что фаза сигнала сдвинулась на /2, а коэффициент передачи ТЗВ (без учета дефектов МЛ и ГУ) будет равен 4. Влияние на АЧХ ТЗВ дефектов и конечных размеров головки 5. Корректирование АЧХ ТЗВ и результирующая АЧХ КЗВ UВХ на входе УУ, работающего в режиме УВ, и коэффициент передачи ТЗВ (К Подмагничивание при магнитной записи ... Полное содержание

Подобный материал:

• А. Н. Туполева Институт социальных технологий Кафедра истории и связей с общественностью, 272.05kb.
• Программа-минимум кандидатского экзамена по специальности 05. 12. 13 «Системы, сети, 151.82kb.
• Программа-минимум кандидатского экзамена по специальности 05. 12. 13 «Системы, сети, 121.7kb.
• Алгоритмы и устройства обнаружения и оценки параметров сигналов сО скачкообразным изменением, 259.41kb.
• Программа-минимум кандидатского экзамена по специальности 05. 12. 14 «Радиолокация, 236.33kb.
• Программа-минимум кандидатского экзамена по специальности 05. 12. 14 «Радиолокация, 134.92kb.
• Выбор Оптимальных Параметров Настройки регуляторов методические указания, 143.51kb.
• Н. Г. Чернышевского кафедра радиофизики и нелинейной динамики рабочая программа, 145.34kb.
• А. Н. Туполева Институт радиоэлектроники и телекоммуникаций Седельников Ю. Е., Стахова, 269.83kb.
• Методические указания, контрольные задания и указания на курсовой проект по дисциплине, 410.04kb.

Министерство образования Российской Федерации

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. А. Н. ТУПОЛЕВА

Кафедра Телевидения и мультимедийных систем


УСТРОЙСТВА ЗАПИСИ И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ СИГНАЛОВ


Методические указания к лабораторным работам № 651 - 654

по курсу «Устройства записи и воспроизведения сигналов», «Основы телевидения и видеотехники»

для студентов очной и заочной форм обучения


Казань 2009

УДК 621.397

Составители: Ю. Л. Комаров, О. Г. Морозов, А. Н. Пикулев, Н.В. Дорогов, А.В. Мягченков

Устройства записи и воспроизведения сигналов: Методические указания к лабораторным работам № 651-654 по курсу «Устройства записи и воспроизведения сигналов», «Основы телевидения и видеотехники» для студентов очной и заочной форм обучения/ Сост. Комаров Ю. Л., Морозов О. Г., Пикулев А. Н., Дорогов Н.В., Мягченков А.В. Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та, 2009. 68 с.

Кратко изложены принципы записи и воспроизведения аудиосигналов (№ 651), работа системы динамического шумоподавления бытовых аудиомагнитофонов (№ 652), принципы записи и воспроизведения видеосигналов (№ 653), работа системы автотрекинга и систем автоматического регулирования блока вращающихся головок и ведущего вала видеомагнитофона (№ 654). Описаны структура аудиомагнитофона 2-го класса «Электроника-302», видеомагнитофона «Электроника ВМ-12», принципиальная схема системы шумоподавления аудиомагнитофона «Весна-205», структура лабораторных комплексов для их исследования.

Определены задачи лабораторных исследований и порядок их выполнения. Приведены контрольные вопросы и рекомендованная литература.

Предназначено для изучения студентами специальностей 210302, 210303, 210304 и их специализаций по направлению 654200 «Радиотехника» очно-заочных форм обучения в технических университетах.

Ил. 24. Табл. 3. Библиогр.: 5 назв.


Рецензенты: канд. техн. наук В.Ф. Гусев (Казанский государственный технический университет им. А. Н. Туполева); Д.Л. Овчинников (ЗАО «Татинком-компьютерс»)

Условные обозначения

АПЧ - автоматическая подстройка частоты;

АРУ - автоматическая регулировка усиления;

АС - акустическая система;

АЧХ - амплитудно-частотная характеристика;

БВГ - блок вращающихся головок;

ВВ - ведущий вал;

ВЧ - верхняя частота;

ВЧП - высокочастотное подмагничивание;

ГВ — головка воспроизводящая;

ГЗ - головка записывающая;

ГУ - головка универсальная;

ЗС ~ звукосниматель;

34 - звуковая частота;

КЗВ - канал записи-воспроизведения;

КСИ - кадровые синхроимпульсы;

НЧ - нижняя частота;

ПКСИ - полукадровые синхроимпульсы (синхроимпульсы полей);

ПТС - полный телевизионный сигнал;

ПЦГС - полный цветной телевизионный сигнал;

ПЧ - промежуточная частота;

ПШ - подавитель шума;

РПУ - радиоприемное устройство;

РЧ - радиочастота;

САР - система автоматического регулирования;

CAT - система автотрекинга;

ССИ - строчные синхроимпульсы;

СЧ - средние частоты;

ТЗВ — тракт записи-воспроизведения;

УВ — усилитель воспроизведения;

УВЧ - усилитель высокой частоты;

УЗ - усилитель записи;

УНЧ - усилитель низкой частоты;

УПЧЗ - усилитель промежуточной частоты звука;

УПЧИ - усилитель промежуточной частоты изображения;

УУ - универсальный усилитель;

f_г-частота гетеродина;

f_h - несущая частота;

f_n - промежуточная частота;

В - намагниченность;

Ф - магнитный поток;

I_вчп - ток высокочастотного подмагничивания

Лабораторная работа № 651

Исследование узлов канала записИ

и ВоспроизведениЯ АУДИОМагнитофона

Цель работы  изучение принципов функционирования и характеристик основных узлов (универсальная магнитофонная головка, усилитель записи, усилитель воспроизведения) тракта записи и воспроизведения аудиомагнитофона.

Домашнее задание: по рекомендованному списку литературы [1, 2, 5], материалам лекций и данной работе необходимо изучить структуру, принципы функционирования и характеристики аудиомагнитофона, а также основных узлов его тракта записи и воспроизведения; иметь представление об основных источниках волновых и частотных потерь, приводящих к искажению амплитудно-частотной характеристики тракта записи и воспроизведения, и методах их компенсации; изучить особенности различных способов подмагничивания носителей, используемых при записи аудиоинформации.

Основные понятия и определения

Запись  процесс, при котором изменяющиеся во времени электрические сигналы S(t) преобразуются в пространственные изменения S(х) магнитного состояния носителя записи, в результате чего создается сигналограмма.

Сигналограмма звуковая (фонограмма, аудиограмма) – звуковой (фоно, аудио) сигнал, преобразованный в электрические сигналы и записанный на магнитный носитель (ленту).

Воспроизведение  процесс получения информации от магнитного носителя, содержащего сигналограмму.

Для осуществления записи аудиомагнитофоны имеют канал записи, а для воспроизведения  канал воспроизведения. Каналы могут обеспечивать один или несколько видов записей: прямую амплитудную, с частотной модуляцией и цифровую. В дальнейшем будем рассматривать аудиомагнитофоны с прямой амплитудной записью.

Канал записи (КЗ) – совокупность устройств, обеспечивающих в процессе записи передачу информации магнитной ленте.

Канал воспроизведения (КВ) – совокупность устройств, обеспечивающих при воспроизведении передачу записанной информации от магнитной ленты.

Канал сквозной (КС) – совокупность устройств, обеспечивающих одновременное образование КЗ и КВ (включает усилитель записи (УЗ), головку записывающую (ГЗ), носитель записи (НЗ), головку воспроизводящую (ГВ) и усилитель воспроизведения (УВ)).

Тракт сквозной (ТС) – часть КС от входа ГЗ до выхода ГВ (включает ГЗ, НЗ и ГВ).

Канал записи-воспроизведения (КЗВ) – совокупность устройств, обеспечивающих поочередное образование канала записи или воспроизведения (включает усилитель универсальный (УУ), головку универсальную (ГУ) и НЗ).

Тракт записи-воспроизведения (ТЗВ) – часть КЗВ от входа ГУ в режиме записи до ее выхода в режиме воспроизведения (включает ГУ и НЗ).

В современных бытовых аудиомагнитофонах применяют как раздельные УЗ и УВ, которые совместно включены в КС аудиомагнитофона (рис.1,а), так и УУ, которые поочередно используются или как УЗ, или как УВ КЗВ (рис.1,б).

Раздельные усилители обычно применяют в магнитофонах 1-го и высшего классов, где в первую очередь необходимо получить высокое качество записи и воспроизведения. В таких магнитофонах обычно имеются две магнитные головки: ГЗ и ГВ.

У
У обычно применяют в магнитофонах 2-го, 3-го, 4-го классов, где требования к стоимости и массе превалируют над требованиями к качеству записи и воспроизведения. Обычно с УУ используется ГУ. Переход УУ с одного режима в другой производится с помощью устройств коммутации, при этом переключаются вход и выход УУ, а также цепи их коррекции.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) аудиомагнитофона характеризует верность передачи спектра записываемого сигнала. Для неискаженной передачи сигналов (информации) аудиомагнитофон должен иметь равномерную результирующую АЧХ во всем рабочем диапазоне частот.

В настоящей лабораторной работе будет рассмотрен бытовой аудиомагнитофон 2-го класса и его АЧХ КЗВ. КЗВ включает УУ, работающий в режимах УЗ и УВ, а также ТЗВ. Соответственно различают АЧХ УЗ, АЧХ ТЗВ и АЧХ УВ, которые совместно определяют АЧХ КЗВ.

П
ри изучении АЧХ КЗВ необходимо рассмотреть следующие взаимосвязанные вопросы: принцип работы аудиомагнитофона, нормы на АЧХ КЗВ, АЧХ идеального и реального ТЗВ, влияние конструктивных параметров ТЗВ на его АЧХ, корректирование АЧХ ТЗВ в УЗ и УВ для получения результирующей равномерной АЧХ КЗВ.


Функциональная схема и принцип работы аудиомагнитофона


Бытовые аудиомагнитофоны 2-го класса имеют простую функциональную схему (рис.2), в которой предусмотрено два режима работы – режим записи «З» и режим воспроизведения «В». Переход от одного режима к другому осуществляется одновременным переводом переключателей П1 – П5 из положения «В» в положение «З» или наоборот.

В режиме «З» к входу УУ через П1 и соответствующий делитель напряжения (ДН) могут быть подключены микрофон (вход МФ), звукосниматель (вход ЗС) или линейный выход другого магнитофона (вход ЛВХ). Сигнал усиливается УУ, имеющим АЧХ, соответствующую режиму «З» (выбирается переключателем П5) и скорости движения ленты (выбирается переключателем П6), и поступает на сумматор . Здесь сигнал смешивается с высокочастотными колебаниями для подмагничивания ленты, вырабатываемыми генератором высокой частоты (ГВЧ), включенным переключателем П3, и далее через П4 поступает на ГУ для записи на ленту. Колебания ГВЧ одновременно поступают на головку стирания (ГС) и очищают ленту, идущую к ГУ, от старых записей.

Сигнал с выхода УУ  это сигнал линейного выхода (ЛВ) аудиомагнитофона. Его амплитуда контролируется схемой измерителя уровня (ИУ)  микроамперметром «Уровень». Для компенсации влияния входного сопротивления усилителя низкой частоты (УНЧ), отключенного в режиме «З», переключателем П2 к выходу УУ подключается эквивалентное сопротивление R_ЭКВ.

В режиме «В» ГВЧ выключен переключателем П3. Сигнал с ГУ через П4 и П1 подается на УУ, который в этом случае имеет АЧХ, соответствующую режиму воспроизведения (П5 в положении «В») и выбранной скорости воспроизведения (переключатель П6). После УУ считываемый сигнал проходит через П2 на УНЧ и далее на акустическую систему (АС). В этом случае ИУ показывает уровень считываемого с ленты сигнала.

Транспортирование ленты от подающей катушки (ПК) к приемной (ПРК) осуществляется лентопротяжным механизмом (ЛПМ). Скорость протяжки ленты определяется частотой вращения ведущего вала (ВВ), к которому лента прижата прижимным роликом (ПР), и выбирается переключателем П6 для значений 2,83 и 4,76 см/с.


Амплитудно-частотная характеристика аудиомагнитофона

1. Нормы на АЧХ

Нормы на АЧХ задаются с помощью специальных диаграмм, характеризующих поле допусков АЧХ. Вид такой диаграммы показан на рис.3. Если измеренная АЧХ КЗВ размещается внутри замкнутой фигуры KLMN, то считается, что АЧХ удовлетворяет норме.

Значение f₂ = 2f₁, f₃ = f₄/2. У студийных катушечных аудиомагнитофонов А = 1,5 дБ, В = 3 дБ, а f₁, f₂, и f₃, f₄ соответственно равны 31,5, 63 Гц и 10, 20 кГц для скоростей 38,1 и 19,05 см/c и 40, 80 Гц и 6,3, 12,5 кГц для скорости 9,53см/с. Для бытовых кассетных аудиомагнитофонов 2-го класса эти частоты соответствуют 63, 126 Гц и 5, 10 кГц при скорости 4,76 см/с, а А = 4 дБ, В = 7 дБ. Использование современных типов лент и систем шумоподавления позволило довести значения частот f₁ и f₄ для кассетных аудиомагнитофонов высшего класса соответственно до 20 Гц и 20 кГц.


2. АЧХ идеального ТЗВ

Напомним, что ТЗВ содержит ГУ и НЗ – магнитную ленту (МЛ). ГУ (рис.4,а) представляет собой электромагнит с двумя зазорами в сердечнике – рабочим (РЗ) и технологическим (ТЗ). На сердечнике расположена обмотка, через которую пропускают ток записываемого сигнала. Ток создает магнитный поток, часть которого выходит за пределы рабочего зазора и намагничивает ферромагнетик МЛ. ТЗ не позволяет довести металл головки до магнитного насыщения при пропускании больших токов записи.

МЛ непрерывно транспортируется ЛПМ перед ГУ, и поэтому изменение тока сигнала записи превращается в изменение намагниченности по длине МЛ.

При синусоидальном сигнале остаточный магнитный поток МЛ будет равен:

, (1)

где – длина волны записи; х – координата вдоль ленты; v – скорость МЛ; f =/2 – частота записываемого сигнала.

При воспроизведении МЛ транспортируют перед ГУ. При этом силовые линии магнитного поля, записанного на МЛ, замыкаются через сердечник головки (рис.4,б), в обмотке которой наводится ЭДС – это считываемый сигнал.



Рис. 4. Схематическое изображение:

а – магнитная головка; б – рабочий зазор; U_C – напряжение сигнала; Ф – ферромагнетик;

О – основа; 2 – ширина РЗ; N, S – полюса сердечника магнитной головки


Пренебрегая всеми видами потерь, полагая, что скорость движения МЛ при воспроизведении равна скорости движения МЛ при записи, а весь записанный на ленту магнитный поток (1) замыкается через головку, получим выражение для наводимой ЭДС:


, (2)


где W – число витков обмотки.

Следовательно, воспроизводящая головка обладает дифференци­рующим действием и ЭДС пропорциональна частоте , числу витков W и начальной намагниченности . В идеальном случае при отсутствии потерь при записи и воспроизведении АЧХ ТЗВ определяется только дифференцирующим действием воспроизводящей головки (W – const, Ф – const). Напряжение выходного сигнала растет пропорционально частоте и АЧХ представляет прямую линию с наклоном к оси частот 6 дБ/октаву, т.е. коэффициент передачи ТЗВ увеличивается в два раза с ростом частоты в два раза.

Отличия реальной АЧХ от идеальной определяются наличием потерь, вызванных нестабильностями ЛПМ и конструктивными параметрами ТЗВ.

Потери – это уменьшение уровня сигнала в процессе записи и воспроизведения.


3. АЧХ реального ТЗВ

Потери записи и воспроизведения можно разделить на два вида: частотные, которые зависят от частоты и не зависят от длины волны записи, и волновые, которые зависят только от длины волны записи. Примером частотных потерь являются потери, возникающие на высоких частотах и вызванные расходом энергии на вихревые токи в сердечнике головки. Рассмотрим лишь волновые потери.

На величину потерь в ТЗВ оказывают влияние параметры ГУ, МЛ и ЛПМ. При анализе прохождения сигналов по ТЗВ рассматривают его идеализированную модель (рис.5).

Идеализирванная модель реального ТЗВ  модель, которая предполагает отсутствие статических дефектов и технологических допусков на параметры ГУ и ее расположение относи­тельно носителя записи. МЛ с рабочим слоем толщиной d и с магнитной проницаемостью  = 1 намагничивается однородно по толщине гармоническим сигналом с ГУ, работающей в режиме записи. ГУ имеет зазор шириной 2 и расположена на расстоянии а от МЛ. Рабочая поверхность ГУ имеет бесконечную протяженность вдоль оси движения ленты x. Проницаемость сердечника ГУ  = .

ТЗВ можно рассматривать как линейную систему и для анализа использовать методы теории линейных цепей. Входное воздействие – остаточный магнитный поток дорожки Ф_r(х), а отклик – поток в сердечнике ГУ, работающей в режиме воспроизведения:


, (3)


где – функция чувствительности ГУ; l – координата вдоль направления записи.

Выражение (3) представляет собой аналог интеграла Дюамеля для ТЗВ. Физический смысл функции заключается в том, что она показывает степень связи между потоком в сердечнике ГУ и намагниченностью МЛ в каждой точке пространства.

Для ГУ кольцевого типа при ширине рабочего зазора 2 и расстоянии а до МЛ


. (4)


После подстановки (4) в (3) поток в ГУ запишется как

(5)


где  волновая плотность записи.

Поток в ГУ в раз меньше потока в МЛ. Указанные коэффициенты зависят от длины волны, поэтому определяемые ими потери называются волновыми. Максимальное значение каждого коэффициента равно единице. Коэффициенты характеризуют различия в уровнях при воспроизведении сигналов с различной длиной волны и определяются конструктивными факторами:  коэффициент щелевых потерь; К_а – коэффициент контактных потерь; К_d – коэффициент слойных потерь. Зависимость указанных и результирующего K_рез коэффициентов от длины волны показана на рис.6.

Щелевые потери (рис.6,а) возникают из-за того, что ширина рабочего зазора ГУ соизмерима с длиной волны записи. В точке первого нуля 2= ширина рабочего зазора равна длине волны записи и сигнал не будет воспроизводиться, т.к. разность магнитных потенциалов между полюсами ГУ равна нулю. Обычно в аудиомагнитофонах используется диапазон длин волн записи _min>2, т.е. рабочим диапазоном является участок левее первого нуля.

К
онтактные потери (рис.6,б) вызваны тем, что МЛ не полностью прижата к ГУ, и только часть магнитного потока замыкается через сердечник и создает полезный эффект. Другая его часть замыкается в пространстве между ГУ и МЛ и теряется. Контактные потери определяют экспоненциальное уменьшение уровня сигнала при укорочении длины волны записи. Контактные потери выражают в децибелах К_а = 54,6 а/. При а =  отдача падает на 54,6 дБ (почти в 500 раз), что практически приводит к пропаданию воспроизводимого сигнала.

Слойные потери (рис.6,в) тем больше, чем толще рабочий ферромагнитный слой ленты d. При d = 5 слойные потери снижают отдачу более чем в 30 раз. Однако с уменьшением толщины рабочего слоя уменьшается и абсолютная отдача. Лента имеет определенную толщину слоя. Уменьшение слойных потерь достигается применением МЛ с тонким рабочим слоем и магнитным материалом с большой остаточной намагниченностью.

Результирующий коэффициент (рис.6,г) имеет вид спадающей кривой без периодического чередования нулей, так как в современных аудиомагнитофонах контактные и слойные потери больше, чем щелевые.

По известной амплитудно-волновой характеристике можно определить и АЧХ ТЗВ. Подставляя (5) в (2) вычислим ЭДС на один виток ГУ:

. (6)

Из (6) видно, что фаза сигнала сдвинулась на /2, а коэффициент передачи ТЗВ (без учета дефектов МЛ и ГУ) будет равен

, (7)


где   временная задержка, которая всегда возникает в реальных цепях.

АЧХ реального ТЗВ представлена на рис.7. При =0 |К()|=0, так как постоянный магнитный поток не сможет навести ЭДС в ГУ.





С ростом частоты модуль коэффициента передачи ТЗВ увеличивается со скоростью 6 дБ/октава, что является следствием дифференцирующего действия ГУ и характерно для области низких (НЧ) и средних (СЧ) частот.

При дальнейшем увеличении частоты – область высоких частот (ВЧ) – начинает сказываться влияние волновых потерь и модуль, достигнув максимума, начинает снижаться. Потери на произвольной частоте определяются расстоянием по оси ординат между линией 1 и кривыми 2, 3, 4, соответствующими АЧХ реального ТЗВ для различных скоростей записи (v₂ < v₃ < v₄).


4. Влияние на АЧХ ТЗВ дефектов и конечных размеров головки

При определении АЧХ ТЗВ был использован ряд допущений. Отклонение от них приводит к дополнительным искажениям. Так, возможны дефекты рабочего зазора ГУ, приводящие к увеличению щелевых потерь: непараллельность, шероховатость и скругление граней. Эти дефекты вызывают разброс АЧХ ТЗВ (заштрихованная область на рис.7).

Непараллельность граней, вызванная неточностью сборки, приводит к фазовым искажениям и смещению АЧХ ТЗВ относительно ее граничной верхней частоты.

Шероховатость граней оказывает влияние на разброс АЧХ тракта при малой ширине зазора. При этом возникают дополнительные потери, которые зависят от длины волны записи и могут достигать 4 дБ.

Скругление граней – эквивалентно расширению рабочего зазора и приводит к увеличению щелевых потерь.

Необходимо учитывать и геометрию ТЗВ. При правильной установке головок и прижимных роликов угол между направлением записи и воспроизведения и направлением граней сердечника головки составляет 90, а рабочие поверхности ленты и головки параллельны. Для регулировки положения головки в аппарате магнитной записи имеется специальное поворотное устройство. Неточная установка приводит к перекосу рабочего зазора, непараллельности рабочих поверхностей головок, непараллельности рабочих поверхностей головок и ленты, сдвигу рабочего зазора по вертикали. Эти дефекты приводят к появлению дополнительных волновых потерь.

Кроме того, при воспроизведении гармонического сигнала, длина волны которого L (L – длина рабочей поверхности головки), магнитный поток носителя попадает в сердечник ГУ не только в области рабочего зазора, но и по всей длине L. Это приводит к появлению колебаний у амплитудно-волновой и соответственно у амплитудно-частотной характеристик в области низких частот. Такие колебания АЧХ называют «змейкой» (пунктирная линия в зоне А на рис.7).

Наличие технологических дефектов, неточная установка, а также учет конечных размеров не означает, что ГУ непригодна для записи низкочастотных и высокочастотных компонент, просто необходима система коррекции АЧХ, учитывающая разброс параметров, вызванных указанными причинами.

При разработке такой системы следует учитывать, что пока рассматривались лишь узлы ТЗВ.

5. Корректирование АЧХ ТЗВ и результирующая АЧХ КЗВ

Результирующая АЧХ аудиомагнитофона определяется АЧХ КЗВ. В состав КЗВ, кроме ТЗВ, входит УУ. При этом следует учитывать тот факт, что УУ имеет совершенно различные АЧХ в режимах записи и воспроизведения.

Логика корректирования АЧХ ТЗВ для получения равномерной АЧХ КЗВ во всем рабочем диапазоне частот аудиомагнитофона представлена на рис.8.

Из-за дифференцирующего действия ГУ, работающей в режиме воспроизведения, ЭДС сигнала U_ВХ на входе УУ, работающего в режиме УВ, и коэффициент передачи ТЗВ (К_ТЗВ) линейно зависят от частоты (характеристика 1, рис.8,а).

Поэтому для получения равномерной АЧХ КЗВ (рис.8,б) необходимо скомпенсировать указанную зависимость. Это позволяет сделать УУ, работающий в режиме УВ, с АЧХ идеального интегратора (характеристика 1-1, рис.8,в).

Но это справедливо только для случая, когда УУ, работающий в режиме УЗ, имеет равномерную АЧХ во всем диапазоне частот (характеристика 1-1, рис.8,г) и не учитываются реальные потери в тракте.

Из-за действия волновых и частотных потерь в сердечнике ГУ реальная АЧХ имеет искаженный вид (характеристика 2, рис.8,а). Поэтому УУ, работающий в режиме УВ, должен иметь АЧХ с обратной зависимостью от частоты (характеристика 1-2, рис.8,в).



Рис.8. Амплитудно-частотные характеристики:

а – реальный ТЗВ; б – КЗВ (идеальная); в – УУ в режиме УВ; г – УУ в режиме УЗ


Потери возникают как при записи, так и при воспроизведении, поэтому и компенсируются во время обоих процессов: в УУ, работающем в режиме УЗ, – введением предыскажений, а в УУ, работающем в режиме УВ, – коррекцией. Такое разделение вводится и для того, чтобы не получить на выходе УУ доминирующую высокочастотную шумовую составляющую при воспроизведении и нелинейные искажения при записи в случае одноместной коррекции АЧХ КЗВ (только в режиме воспроизведения или только в режиме записи).

Принято, что в канале записи корректируют часть волновых потерь. Для этого в АЧХ УУ, работающего в режиме УЗ, вводят предыскажения в области ВЧ (характеристика 1-2, рис.8,г). Кроме того, из-за дифференцирующего действия ГУ уровень низкочастотного сигнала мал и заметно возрастание шумов. Поэтому в УУ, работающий в режиме УЗ, вводят предыскажения и в области НЧ – противошумовая коррекция (характеристика 2-2, рис.8,г). Тогда с учетом того, что часть потерь скорректирована в УУ, работающем в режиме УЗ, АЧХ УУ, работающего в режиме УВ, будет иметь вид характеристики 2-3 (рис.8,в). При этом результирующая АЧХ КЗВ становится равномерной и близкой к идеальной (рис.8,б).

Проверка и регулировка АЧХ КВ осуществляется с помощью испытательных МЛ с записью сигналов ряда частот в пределах рабочего диапазона аудиомагнитофона. Уровень сигналов воспроизведения должен быть в пределах поля допусков АЧХ. Эту процедуру повторяют для всех скоростей МЛ. После настройки и регулировки КВ проверяют и регулируют КЗ. Используя КЗ, вновь записывают тот же ряд частот и считывают их в уже скорректированном КВ. Регулировкой АЧХ КЗ добиваются, чтобы уровни воспроизводимых сигналов вновь оказались в поле допусков.

Подмагничивание при магнитной записи

1. Запись без подмагничивания

В
этом режиме МЛ предварительно размагничивается, а в ГУ подается только ток сигнала. Намагничивание ферромагнетика МЛ происходит по кривой начального намагничивания используемого материала ОА (рис.9,а).

При попадании МЛ в поле H его магнитная индукция по кривой ОА достигает некоторого значения В, а после выхода МЛ из зоны действия записывающего поля (Н=0) на ней остается остаточная индукция В_rs. Впоследствии именно эта индукция при воспроизведении сигналограммы создает магнитный поток (1), являющийся источником ЭДС Е (2). Величина В_rs нелинейно зависит от Н (рис.9,б), поэтому при приложении синусоидального записывающего сигнала в рабочую точку С форма кривой остаточного намагничивания В_rs(х) будет симметрична, но отлична от синусоиды. Появляются третья и пятая гармоники сигнала (четных гармоник нет). Величина нелинейных искажений сигнала составляет 10 – 15 % . Это недопустимо в любой аппаратуре магнитной записи.

2. Запись с подмагничиванием постоянным током

Необходимо уменьшить нелинейные искажения при записи. Первый путь заключается в подмагничивании постоянным полем. Есть два варианта реализации этого пути: запись на размагниченную МЛ и запись на предварительно намагниченную МЛ.

В первом случае в ГУ вместе с сигналом подается постоянный ток, смещающий рабочую точку a на середину линейного участка кривой начального намагничивания (рис.10).

Нелинейные искажения уменьшаются, но в паузе носитель приобретает остаточную намагниченность , что приводит к увеличению шумов. Второй недостаток – рабочий участок намагничивания мал, значит амплитуду сигнала записи надо ограничивать, а следовательно, и амплитуда сигнала считывания будет мала.



При записи на намагниченный носитель вначале лента намагничивается до насыщения в одном направлении (точка а рис.11), а затем в процессе записи в головку, кроме сигнала, подается постоянный ток, смещающий рабочую точку на «спинку» петли гистерезиса (точка б рис.11).

Дополнительный поток выбирается таким, чтобы намагниченность в паузе оказалась близкой к нулю. Это снижает шум паузы. Протяженность линейного участка примерно в два раза больше, чем в первом варианте. Нелинейные искажения  2-3%. Это вполне допустимо в диктофонах, где самое главное  простота конструкции.


3. Запись с высокочастотным подмагничиванием

При этом способе в записывающую головку подается сумма токов сигнала и синусоидального тока высокой частоты. Частота тока высокочастотного подмагничивания (ВЧП) выбирается настолько большой, что каждый элемент МЛ при прохождении в районе РЗ ГУ, работающей в режиме записи, испытывает несколько циклов перемагничивания. Обычно f_вчп = (5 – 10) f_max , где f_max – максимальная частота записываемого сигнала.




Рис.11. Запись подмагничиванием постоянным током на предварительно намагниченную ленту

Намагничивание носителя при записи с ВЧП имеет много общего с идеальным намагничиванием. Идеальное намагничивание осуществляется при помощи катушки, которая создает в ферромагнетике сумму напряженностей постоянного и переменного полей. Амплитуду задают нужной величины, это как бы полезный сигнал. Значение же постепенно уменьшают до нуля. При этом ферромагнетик испытывает многократные перемагничивания. Потери на гистерезис возмещаются энергией переменного поля, а полезная намагниченность создается постоянным полем в отсутствие потерь.

Поэтому характеристика идеального намагничивания (рис.12,а) отличается от ранее представленной на рис.9,а кривой начального намагничивания. Действие переменного поля приводит к увеличению чувствительности и улучшению линейности кривой намагничивания.

Повышение чувствительности определяется тем, что малым постоянным полям соответствуют большие, чем при отсутствии , значения остаточной намагниченности. Улучшение линейности определяется спрямлением характеристик намагничивания. При этом существует некоторое критическое значение , превышение которого уже не сказывается на B_rs (рис.12,в).

Магнитная запись с ВЧП близка к идеальному намагничиванию, но несколько отличается от последнего. Запись осуществляется суммарным низкочастотным полем сигнала и высокочастотным полем подмагничивания. Напряженность записывающего поля максимальна при прохождении лентой центра рабочего зазора ГУ и спадает по мере удаления от него влево или вправо. Поэтому каждый элемент феррослоя ленты по мере приближения к зазору сначала попадает под действие суммарного возрастающего поля, проходит его максимум, а затем подвергается действию плавно спадающего поля по мере удаления от зазора.

Это похоже на идеальное намагничивание. Отличие от последнего заключается в том, что в идеальном случае не меняется, спадает только . При записи с ВЧП участок ленты, прошедшей рабочий зазор, подвергается действию двух одновременно спадающих полей.



Рис.12. запись с ВЧП: а – идеальное намагничивание; б – реальное подмагничивание; в – критическое значение Н_≈ при идеальном намагничивание; г – оптимальное значение Н_≈ при реальном подмагничивание.

Это приводит к тому, что кривые намагничивания с ВЧП, изображенные на рис.12,б,г, отличаются от идеальных, показанных на рис.12,а,в. Очевидно, что имеется оптимальный ток высокочастотного подмагничивания I_{ВЧП ОПТ1}, обеспечивающий максимальный уровень записанного на ленту сигнала.

Нелинейные искажения при ВЧП не превышают 2%. Это значение можно минимизировать, подбирая значения I_ВЧП. Имеется некоторое значение I_{ВЧП ОПТ2}  I_{ВЧП ОПТ1} (рис.13), при котором коэффициент гармоник минимален.

При разработке и настройке магнитофона приходится выбирать, что важнее – минимальный или максимальная B_rs. Соответствующее значение I_ВЧП подмешивается в сумматоре к току сигнала.

Экспериментальная часть

1. Описание лабораторной установки

Лабораторная установка состоит из кассетного аудиомагнитофона 2-го класса «Электроника-302», генератора низкочастотных сигналов Г3-112 и осциллографа С1-68. Схема аудиомагнитофона несколько изменена и отличается от типовой. Так, вместо ручки «Громкость» на передней панели аппарата расположена выведенная под шлиц ручка регулирования тока ВЧП. На левой боковой стенке установлен тумблер, который может находиться в одном из двух положений. В положении «1» (левом) тумблер соединяет разъем № 1, расположенный рядом, со входом универсального усилителя УУ, отключая последний от ГУ. В положении «2» (правом) тумблер соединяет ГУ и вход УУ.

На разъем № 3 выведен выход УУ. На разъем № 4 подан сигнал с резистора =120 Ом, который включен последовательно с ГУ и позволяет контролировать ток через нее.


2. Порядок выполнения экспериментальной части работы

З а д а н и е 1. Снять АЧХ УУ в режиме воспроизведения. Для снятия АЧХ УУ (УВ) подать на разъем №1 сигнал от Г3-112 (переключатель уровня выходного сигнала в положении 70 дБ), плавным регулятором уровня установить размех выходного напряжения 20 мВ. Исходное значение частоты – 10 Гц. Кассета с лентой из магнитофона вынута. На панели управления нажата клавиша «Пуск». Тумблер управления в положении «1». Выход УУ(УВ), т.е. разъем №3 соединен со входом осциллографа (исходная чувствительность 0,5 В/см).

Регулировкой выходного сигнала генератора добиваются, чтобы синусоида на экране не имела ограничений амплитуды. Плавно увеличивая частоту сигнала, генерируемого Г3-112, до 15 кГц, снять с экрана осциллографа зависимость . Значение можно не контролировать, т.к. выходной сигнал Г3-112 не зависит от частоты.

При сильном уменьшении амплитуды с ростом f исходную чувствительность осциллографа необходимо дискретно увеличивать, что учитывается при определении значения .

Построить график полученной зависимости. Сравнить с графиком, изображенным на рис.8,в.


З а д а н и е 2. Снять АЧХ УУ в режиме записи. Для этого вставить кассету с лентой в магнитофон. Соединения между Г3-112, аудиомагнитофоном и С1-68 оставить, как в задании 1. Тумблер управления в положении «1». Дополнительно к клавише «Пуск» магнитофона нажимается красная клавиша «Запись» и сразу после нее «Пауза». Дискретный переключатель уровня выходного сигнала Г3-112 в положении 60 дБ (плавный регулятор – в среднем положении). Чувствительность осциллографа  0,1 В/см.

Изменяя частоту сигнала Г3-112 от 10 Гц до 15 кГц, снять зависимость . Построить график полученной зависимости. Сравнить с графиком, изображенным на рис.8,г.


З а д а н и е 3. Определить зависимость величины амплитудного значения тока высокочастотного подмагничивания I_ВЧП от положения потенциометра, выведенного под шлиц. Для этого соединить кабелем вход осциллографа и разъем аудиомагнитофона №4. Генератор Г3-112 от входов магнитофона отключить. На магнитофоне аналогично заданию 2 должны быть нажаты клавиши «Пуск», «Запись» и «Пауза».

Вставить пластинчатый ключ в прорезь потенциометра регулировки тока ВЧП I_ВЧП и вращением установить его в крайнее положение, соответствующее минимальному I_ВЧП, амплитудное значение которого замеряется по осциллографу (исходная чувствительность 20мВ/см). Записать номер деления на панели магнитофона, против которого установился ключ при минимальном I_ВЧП.

Далее, поочередно устанавливая ключ против промежуточных делений, тем самым увеличивая I_ВЧП, снять зависимость .

Последним должно быть получено значение I_ВЧП при противоположном крайнем положении потенциометра, т.е. максимальном I_ВЧП.

Внимание! Истинное амплитудное значение I_ВЧП определяется при делении амплитудного значения сигнала, снятого с экрана осциллографа, на величину дополнительного сопротивления = 120 Ом, с которого этот сигнал через разъем №4 подается на вход осциллографа.

Полученные результаты свести в таблицу . Данные таблицы будут необходимы при выполнении следующих заданий.


З а д а н и е 4. Снять семейство зависимостей амплитудного значения, записанного на ленту сигнала U_ЗАП , от амплитуды поданного на линейный вход магнитофона входного сигнала U_ВХ. Семейство снимается при различных значениях I_ВЧП.

Для снятия семейства зависимостей проделать следующие процедуры:

1) установить в магнитофон кассету с лентой;

2) перемотать ленту в начало кассеты;

3) нажать клавиши «Пуск», «Запись» и сразу после них «Пауза»;

4) тумблер управления в левом положении «1»;

5) установить частоту сигнала генератора Г3-112 равную 1000 Гц, переключатель выходного сигнала в положение 60 дБ, плавный регулятор выходного сигнала в крайнее левое положение;

6) установить на выход Г3-112 тройник. К одному его плечу подсоединить кабель с байонетными разъемами, а ко второму – с магнитофонным разъемом;

7) второй конец первого кабеля с байонетным разъемом подключить ко входу осциллографа, а магнитофонный разъем второго кабеля к разъему №1;

8) установить потенциометр регулировки I_ВЧП в положение, соответствующее минимальному I_ВЧП;

9) плавно поворачивая вправо регулятор выходного напряжения Г3-112 и измеряя амплитуду U_{НЧ ВХ} по осциллографу, довести ее значение до 10 мВ;

10) отпустить клавишу «Пауза» и выждать 20 – 30 с (время, необходимое для последующего замера по экрану осциллографа амплитуды записанного сигнала);

11) после выдержки установить ключом потенциометр регулировки I_ВЧП на новое деление (по итоговой таблице задания 3) и сделать выдержку 20 – 30 с;

12) повторить предыдущий пункт для всех положений потенциометра I_ВЧП, токи I_ВЧП которых были найдены в задании 3;

13) нажать клавишу «Стоп» и прекратить запись;

14) перемотать ленту в начало кассеты;

15) переключить тумблер управления в положение «2» (правое);

16) отключив от входа осциллографа разъем кабеля Г3-112, соединить вход С1-68 с разъемом №3;

17) нажать клавишу «Пуск» и начать записывать замеренные с экрана осциллографа амплитуды U _{НЧ ВЫХ} для использованных значений I_ВЧП(N_ДЕЛ), таким образом, получаем зависимость: U _{НЧ ВЫХ} = _U(I_ВЧП) при U _{НЧ ВХ} = const;

18) после окончания цикла считывания и замера записанных сигналов нажать «Стоп», перемотать ленту в начало и далее «Пуск», «Запись», «Пауза»;

19) вернуть кабели соединения в положение, соответствующее пункту 6);

20) вернуться к п. 9), установить новое значение U _{НЧ ВХ} из следующего ряда: 10, 20, 50, 100, 200, 500 мВ. При установке этих значений можно использовать децибельный переключатель U_ВЫХ Г3-112 и плавный регулятор. Ручку «Уровень записи» магнитофона не трогать;

21) повторить пункты задания от 9) до 19). Получить набор зависимостей U _{НЧ ВЫХ} = _U(I_ВЧП) при различных U _{НЧ ВХ} , зарисовать с экрана осциллографа форму записанного сигнала для минимального и среднего I_ВЧП. Сравнить их между собой. Построить на одном графике две из полученных зависимостей для U _{НЧ ВХ} =20 мВ и U _{НЧ ВХ} =100 мВ. Сопоставить с графиком рис.12,г;

22) из полученных экспериментальных данных сделать набор выборок значений U _{НЧ ВЫХ} = _U(I_ВЧП) при I_ВЧП=const. Построить семейство полученных зависимостей. Сравнить с графиком рис.12,б.


З а д а н и е 5. Оформить отчет по лабораторной работе. Отчет должен содержать блок-схемы соединений приборов, полученные экспериментальные данные и построенные на их основе графики.

Контрольные вопросы

1. Структура ТЗВ и КЗВ. Основные термины и определения.
   
2. Функциональная схема аудиомагнитофона и принцип ее работы.
   
3. Устройство ГУ и ее работа.
   
4. Дифференцирующее свойство ГУ.
   
5. АЧХ идеального ТЗВ.
   
6. Потери в ТЗВ: щелевые, контактные, слойные, результирующие.
   
7. АЧХ реального ТЗВ.
   
8. АЧХ универсального усилителя в режимах записи и воспроизведения.
   
9. АЧХ КЗВ и ее коррекция.
   
10. Запись без подмагничивания.
    
11. Запись с подмагничиванием постоянным полем: на размагниченный носитель и на предварительно намагниченный носитель.
    
12. Запись с подмагничиванием переменным полем: амплитудная характеристика и нелинейные искажения.