ВСТУП



Основною метою виконання курсового проекту, є вивчення фізичних основ процесів та пристроїв запису, відтворення та стирання інформації. Мета полягає у тому, щоб більш глибоко зрозуміти процеси запису, відтворення та стирання інформації у різних системах, оволодіти навичками проектування основних вузлів пристроїв, дати основи інженерного визначення їх якісних та кількісних характеристик. Вхідні дані для розв’язання задач розкинутих у певному діапазоні, навіть у тих випадках, коли йдеться про пристрої, що стандартизовані і випускаються промисловістю. Це дозволяє визначити певні характеристики пристрою, чи проектувати його вузли з відмінними від інших параметрами. Особливо звертається увага на матеріали та технології, які використовуються при виготовленні високоточних елементів та вузлів пристроїв запису та відтворення сигналів.



1 МАГНІТНІ ГОЛОВКИ ЗАПИСУ ТА ВІДТВОРЕННЯ СИГНАЛІВ

1.1 Технічне завдання



Магнітна головка, яка може бути використана для запису відеосигналів, має такі параметри

еквівалентна ширина зазору

глибина робочого зазору

довжина робочого зазору

глибина додаткового зазору

довжина додаткового зазору ation.DSMT4 HYPER14HYPER15

довжина середньої лінії осердя

число витків обмотки

струм запису

магнітна провідність осердя

Використовуючи теоретичний матеріал підрозділів 2.1...2.3 [1] знайти:

магнітний потік Фс у осерді головки;

напруженість поля та у магнітну індукцію робочому та додатковому зазорах;

індуктивність обмотки головки;

амплітуду ЕРС на частоті

Визначити стабілізуючу дію додаткового магнітного зазору на магнітну індукцію та індуктивність обмотки головки. Для цього визначити відносну зміну вказаних параметрів при збільшенні магнітної проникності у два рази у випадках наявності та відсутності додаткового магнітного зазору.



1.2 Теоретична частина



Нормоване значення рівня запису називається нормальним рівнем. Нормальний рівень визначається при фіксованій довжині хвилі запису, яка задається в середині частотного діапазону сигналу, що записується. По мірі зменшення довжини хвилі запису через вплив різних факторів, які зв’язані з процесом намагнічування, рівень запису зменшується. Таке зменшення рівня носить назву хвильових втрат запису.

При відтворені магнітний потік зі стрічки замикається через осердя головки, що відтворює та наводить в її обмотці електрорушійну силу. Поле, яке створюється магнітною стрічкою, є досить малим, і тому процес відтворення є лінійним. Аналіз процесу відтворення базується на теорії лінійних кіл і є досить простим. Через лінійність процесу, при відтворенні, нелінійні спотворення не присутні. Але значні хвильові втрати, які описуються хвильовим коефіцієнтом передачі К( 2( / () = К((), який показує залежність величини магнітного потоку в осерді головки, що відтворює від довжини хвилі запису. Величина одержала назву хвильової щільності запису, а спотворення, які залежать від довжини хвилі сигналу, що записується, називають хвильовими. Розрізняють амплітудно-хвильові та фазо-хвильові спотворення.

Найбільше поширення при аудіо запису одержали магнітні головки кільцевого типу. Осердя складається з двох механічно з’єднаних половин – поло осердь. В місці з’єднання поло осердь головки, зазори заповнюються розплавленим склом, або моно окислами Si чи Cr, у випадку проникнення скла в поверхню осердя ефективна ширина зазору збільшується на 60%, при заповненні зазору моно окислю Si (у вакуумі) ширина зазору збільшується на 10%. З цього випливає, що ефективна ширина робочого зазору магнітних головок більша ніж їх механічна ширина.

Від якості стрічок залежать наступні показники відеомагнітофонів, а саме якість запису – відтворення відеосигналів, тобто відсутність помітних для ока спотворень зображення, маса – габаритні показники, та ін.



1.3 Визначення електромагнітних параметрів магнітної головки



Виконаємо розрахунок необхідних параметрів для подальшого розрахунку.

Розрахуємо магнітний опір осердя



Розрахуємо магнітний опір робочого зазору



Розрахуємо магнітний опір додаткового зазору



Розрахованих даних достатньо для розрахунку магнітного потоку у осерді. Розрахуємо магнітний потік, використовуючи розраховані магнітний опір осердя, магнітний опір робочого зазору та магнітний опір додаткового зазору



Розрахуємо індуктивність котушки головки



Знаючи індуктивність, можемо розрахувати ЕРС. Для цього візьмемо похідну від струму





При цьому значення ЕРС дорівнює



D Equation.DSMT4 HYPER14HYPER15



Також амплітудне значення ЕРС дорівнює





Напруженість поля у робочому зазорі дорівнює



Розрахуємо напруженість поля у додатковому зазорі



Магнітна індукція у робочому зазорі дорівнює



Магнітна індукція у додатковому зазорі дорівнює



1.4 Визначення стабілізуючої дії додаткового магнітного зазору на магнітну індукцію та індуктивність обмотки головки



Для цього визначимо відносну зміну параметрів при збільшенні магнітної проникності у два рази у випадках наявності та відсутності додаткового магнітного зазору.

Збільшимо магнітну проникність осереддя у 2 рази та отримаємо



HYPER14HYPER15



Розрахуємо параметри при наявності додаткового магнітного зазору. Для початку, магнітний опір осердя дорівнює



Магнітний опір робочого зазору залишиться без змін, тому що в його формулу не входить HYPER15



Магнітний опір додаткового зазору залишиться без змін, тому що в його формулу не входить



Розрахуємо магнітний потік у осерді



Розрахуємо індуктивність котушки головки



Розрахуємо амплітудне значення ЕРС



Напруженість поля у робочому зазорі дорівнює



Розрахуємо напруженість поля у додатковому зазорі



BED Equation.DSMT4 HYPER14HYPER15



Магнітна індукція у робочому зазорі дорівнює



Магнітна індукція у додатковому зазорі дорівнює



1.5 Розрахуємо параметри при відсутності додаткового магнітного зазору



Магнітний опір осердя дорівнює



Розрахуємо магнітний опір робочого зазору



Приймемо значення магнітного опору додаткового зазору при відсутності додаткового зазору рівним 0



Магнітний потік у осерді дорівнює



Розрахуємо індуктивність котушки головки



Амплітудне значення ЕРС дорівнює



Розрахуємо напруженість поля у робочому зазорі



ation.DSMT4 HYPER14HYPER15



Магнітна індукція у робочому зазорі дорівнює



1.6 Наведемо ґрунтові відповіді на контрольні запитання



1.6.1 При яких умовах головка є лінійним перетворювачем? Для чого потрібно нормувати рівень сигналу запису?

Магнітні головки в режимах запису та відтворення являються лінійними перетворювачами й до них можна використовувати принцип взаємності.

Нормування сигналу дозволяє отримати максимальний потрібний рівень сигналу для всієї доріжки.

1.6.2 Які з параметрів магнітних матеріалів можна визначити, маючи петлю гістерезису?

При наявності петлі гістерезису можна визначити такі параметри як: намагніченість насичення Js, залишкова намагніченість J2, напруженість поля насічення Hs, коерцитивна сила Hс, магнітна індукція В.

1.6.3 Для чого потрібні у магнітофонах пристрої точної установки магнітних головок?

Неточність установки магнітних головок викликає погіршення частотних та шумових характеристик каналу запису відтворення. Тому у кожному пристрої запису інформації передбачають елементи, за допомогою яких при виготовлені пристрою і у процесі його експлуатації є змога змінити кут нахилу головки (робочого зазору), добитися паралельності робочої поверхні головки та поверхні стрічки, змінити висоту головки відносно стрічки, а у відеомагнітофонах ще відрегулювати величину виступу головки над корпусом блока відеоголовок.

Кріплення універсальної головки у касетних магнітофонах показано на рисунку 1.1, а [1]. При однаковому обертанні гвинтів 1, 3, 5 пластина 2, на якій встановлена головка 4, зміщується уверх або униз відносно магнітної стрічки. Регулюванням гвинта 3 встановлюють робочу площину головки паралельно стрічці, а за допомогою гвинтів 1 та 5 – вибирають потрібний нахил робочого зазору.



а) б)



Рисунок 1.1 – Регулювальні пристрої для точної установки головок:

а) кріплення універсальної головки у касетних магнітофонах; б) гвинтовий метод установки головки



Аналогічні дії по установці головки 1 виконуються за допомогою гвинтів 3 і 4 у конструкції рисунку 1.1, б [1]. Гвинтом 3 регулюється положення головки 1 по висоті, а гвинтом 4 – встановлюється потрібний нахил робочого зазору.

Для усунення перекосів та фіксації стрічки по висоті при її русі біля головок використовують направляючі стійки.



2 ПЕРЕТВОРЕННЯ СИГНАЛІВ У ПРОЦЕСІ МАГНІТНОГО ЗАПИСУ - ВІДТВОРЕННЯ

2.1 Перетворення сигналів



Процес магнітного запису та відтворення можна розглядати як перетворення плинних координат сигналу у часовій та просторовій обла стях із зміною масштабів їх відображення. Формально ланцюг пере творень виглядає, як на формулі (2.1) [2,3]:



(2.1)



де вхідна та вихідна напруга каналу запису-відтворення, t – плинний час, струм запису, магнітний потік у осерді головки, та залишковий магнітний потік та залишкова намагніченість сигналограми, x відстань, яку проходить носій (просторова координата), магнітний потік у осерді голов ки, ЕРС відтворюючої головки.

При постійній швидкості носія при запису і відтворенні сигналів зв'язок між частотно-часовою (,t) та просторово-хвильовою (,x) областями, в яких описується сигнал на різних етапах його перетво рень, визначається, згідно з (2.1), співвідношеннями:



де кругова частота,



(2.2)

частота сигналу, швидкість переміщення носія, довжина хви лі запису (відстань між початком і кінцем ділянки доріжки запису, яка відповідає одному періоду записаного гармонічного коливання), просторова частота (хвильова щільність запису).

При проходженні через канал запису-відтворення сигнали набува ють частотних та нелінійних спотворень, до них аддитивно та мультипликативно примішуються шуми та завади [2, 3].



2.2 Задача на визначення довжини хвилі запису



Використавши співвідношення (2.2), визначимо мінімальну довжи ну хвилі запису, припустивши, що на магнітну стрічку безпосередньо (без частотних перетворень) реєструються аудіо сигнали з частотним діапазоном та відеосигнали з частотним діапазоном при швидкості переміщення головки відносно стрічки:

у аудіо магнітофонів: 4,76 см/с - касетні; 9,53 см/с - котушечні; 19,6 см/с - котушечні;

у відеомагнітофонів (ВМ) різних форматів: 3,14 м/с - ВМ Ні-8; 4,84 м/с - ВМ VHS; 5,82 м/с - ВМ Веtа; 8,54 м/с - ВМ U-matіс; 41,3 м/с - ВМ поперечно-рядкового формату Q.



2.3 Визначення довжини хвилі запису



Визначимо довжину хвилі запису для аудіо магнітофонів на максимальній частоті 20кГц та мінімальній частоті 20 Гц:



для касетного магнітофона зі швидкістю 4,76 см/с одержимо



HYPER15



для котушкового магнітофона зі швидкістю 9,53 см/с одержимо



для котушкового магнітофона зі швидкістю 19,6 см/с одержимо



Визначимо довжину хвилі запису для відеомагнітофонів (ВМ) різних форматів на максимальній частоті 6,5 МГц та на мінімальній частоті 50 Гц:

для ВМ Ні-8 зі швидкістю 3,14 м/с одержимо



для ВМ VHS зі швидкістю 4,84 м/с одержимо



для ВМ Веtа зі швидкістю 5,82 м/с одержимо



для ВМ U-matіс зі швидкістю 8,54 м/с одержимо



BED Equation.DSMT4 HYPER14HYPER15



для ВМ поперечно-рядкового формату Q зі швидкістю 41,3 м/с одержимо



У аудіо- та відеомагнітофонах довжина хвилі майже однакова, тому що стандарти орієнтуються на майже однакові властивості матеріалів, які використовуються в магнітних головках, та на однаковий тип магнітного носія (стрічки). Це зроблено з метою спрощення узгодження пристроїв.

В аудіо- та відеомагнітофонах сигнали, які записуються, мають частоти, що відрізняються на декілька порядків (частотний діапазон аудіо сигналів складає 20 Гц … 20 кГц та частотний діапазон відеосигналів складає 50 Гц … 6,5 МГц), але довжина хвилі запису відрізняється в декілька раз (касетний аудіомагнітофон – HYPER15, ; відеомагнітофон формату Hi-8 – , ). Це досягнуто за рахунок збільшення швидкості переміщення головки відносно стрічки у відеомагнітофонах (касетний аудіомагнітофон – BED Equation.DSMT4 HYPER14HYPER15; відеомагнітофон формату Hi-8 – ).

У відеомагнітофонах поперечно-рядкового формату Q швидкість переміщення головки відносно стрічки досить велика і складає , максимальна довжина хвилі запису занадто велика , що потребує реалізацію магнітної головки великого розміру.

Найрозповсюдженішими серед потребувачів стали відеомагнітофони формату VHS. Оскільки швидкість переміщення головки відносно стрічки в них складає , тобто приблизно в 10 разів менша за швидкість при поперечно-рядковому форматі Q, то довжина хвилі також буде приблизно у 10 разів меншою .



3 АМПЛІТУДНО-ХВИЛЬОВА ТА АМПЛІТУДНО-ЧАСТОТНА ХАРАКТЕРИСТИКИ ІДЕАЛІЗОВАНОГО ТРАКТУ ВІДТВОРЕННЯ

3.1 Хвильові втрати при відтворенні



Розглянемо процес відтворення ідеалізованою головкою, яка має нескінчену протяжність робочої поверхні, магнітну проникність матері алу осердя та ширину робочого зазору 2. Відстань між стрічкою і головкою, обумовлена їх неконтактом, дорівнює а.

Магнітна стрічка має робочий шар товщини d, він намагнічений однорідно гармонічним сигналом. Залишковий магнітний потік при таких умовах описується виразом (3.1) [2,3].



(3.1)



де максимальне значення залишкового потоку, відстань вздовж доріжки запису, довжина хвилі запису, EMBED Equation.DSMT4 HYPER14HYPER15 просто рова частота або хвильова щільність запису.

Потрібно визначити магнітний потік у осерді головки.

Тракт відтворення є лінійною системою. Тому для аналізу можна використати методи теорії лінійних ланцюгів. Вхідним діянням на сис тему буде залишковий потік (3.1), відгуком - потік у осерді, а імпульс ною характеристикою - функція чутливості головки, яка описується наступним виразом [З]



Виконавши згортку отримаємо магнітний потік у осерді



Equation.DSMT4 HYPER14HYPER15 (3.2)



Вираз (3.2) можна привести до іншого вигляду, об'єднавши групи змінних величин по ознакам, які мають певний фізичний сенс, та пода вши їх у вигляді змінних коефіцієнтів (3.3).



SMT4 HYPER14HYPER15 (3.3)



де



коефіцієнт щілинних втрат;



коефіцієнт контактних втрат;



коефіцієнт шарових втрат.

Усі коефіцієнти, як бачимо, залежать від довжини хвилі запису і тому називаються хвильовими. Максимальне значення кожного з кое фіцієнтів дорівнює одиниці. Із збільшенням частоти їх значення змен шуються.

Графічні залежності від нормованих коефіцієнтів до довжини хвилі запису ширини робочого зазору, відстані a між магнітною головкою та робочим шаром стрічки, товщини d робочого шару наведені на рисунок 3.1, а... 3.1, в.

Результуючий графік хвильових втрат зображено на рисунок 3.1, г. З нього видно, що залежність втрат від довжини хвилі запису має моно тонний характер. Це пояснюється тим, що контактні та шарові втрати мають більшу величину, ніж щілинні, і робоча ділянка характеристики втрат простягається тільки до першого нуля графіка рисунок 3.1, а.



Рисунок 3.1 – Графіки щілинних (а), контактних (б), шарових (в) втрат та результуюча амплітудно-хвильова характеристика ідеалізовано го тракту

відтворення (г)

3.2. АЧХ ідеалізованого тракту



Визначимо АЧХ тракту по відомій амплітудно-хвильовій характеристиці (АХХ) індукційної головки, ЕРС у витках якої виникає у результаті електромагнітної індукції, що обумовлена переміщенням сигналограми відносно головки.

По закону електромагнітної індукції ЕРС головки дорівнює:



, (3.4)



де Ф – магнітний потік у осерді відтворюючої головки, п – число вит ків обмотки, - швидкість відтворення, х – координата вздовж до ріжки запису, t – час.

Позначимо у виразі (3.3)



і підставимо у вираз (3.4) значення магнітного потоку (3.3). Це дозво лить знайти ЕРС головки:



(3.5)



де

Проаналізуємо отриманий результат. Під час запису сигналу на ма гнітну стрічку крізь записуючу головку проходив струм i(t) = Isint.

Повздовжня складова щільності магнітного потоку стрічки



Залишковий магнітний потік дорівнює:



(3.6)



Порівнюючи вирази (3.5) та (3.6), відмітимо, що рух носія біля відтворюючої головки викликає ЕРС, яка змінюється також по гармо нічному закону, але відрізняється від напруги запису