Ультразвуковые линии задержки цветных телевизоров

В цветных телевизорах качество цветного изображения во многом зависит от параметров ультразвуковой линии задержки (УЛЗ), которая используется в блоке цветности как элемент памяти сигнала на время одной строки, равное 64 мкс. Применение таких линий задержки в цветных телевизорах вызвано тем, что в используемой системе цветного телевидения происходит последовательная во времени передача сигналов цветности от строки к строке, а на модуляторах кинескопа необходимо иметь информацию о каждом цвете одновременно.

УЛЗ состоят из входного и выходного преобразователей, переходных слоев и звукопровода (акустического волновода).

На вход линии задержки поступает электрический сигнал. В результате пьезоэлектрического эффекта электрические колебания возбуждают во входном преобразователе механические (ультразвуковые) колебания. Эти колебания через переходной слой, обеспечивающий акустический контакт между преобразователем и звукопроводом, распространяются вдоль звукопровода. Скорость распространения этих колебаний определяется плотностью и упругими свойствами материала звукопровода и приблизительно в 105 раз меньше скорости распространения электрических колебаний в проводниках. Пройдя второй переходной слой и достигнув выходного преобразователя, ультразвуковые колебания вновь преобразуются в электрические.

Основными параметрами УЛЗ являются: время задержки т, средняя рабочая частота f0, ширина полосы частот пропускания 2Δf общее затухание сигнала б, относительный уровень ложных сигналов о (приходящих позднее или ранее основного задержанного сигнала), температурный коэффициент задержки (ТКЗ) в, входное и выходное электрические сопротивления Z _вх и Z _вых Общее затухание УЛЗ на средней частоте 4,3 МГц составляет 10—20 дБ. Время задержки сигнала практически определяется скоростью распространения ультразвуковых колебаний в материале звукопровода и длиной пути пробега.

При изготовлении УЛЗ выбирают материал звукопровода, обладающий хорошей термостабильностью и имеющий достаточно малую скорость распространения ультразвука для обеспечения необходимого времени задержки при возможно меньших габаритах линии. Переходные слои должны обеспечивать хороший акустический контакт и прочное механическое соединение преобразователей со звукопроводом. Пьезоэлектрики, из которых изготавливают преобразователи, должны иметь необходимую рабочую частоту и достаточно высокий коэффициент электромеханической связи, характеризующий потери при преобразовании электрической энергии в механическую и наоборот. Следует иметь в виду, что на ширину полосы частот пропускания УЛЗ существенно влияет соотношение между акустическими сопротивлениями преобразователя, звукопровода и переходных слоев, а также толщина этих слоев.

Материалами звукопроводов УЛЗ для цветных телевизоров служат, обычно, термостабильное стекло С62-1 и металлический сплав ЭП-218. Наибольшее распространение получили стеклянные УЛЗ, что обусловлено рядом преимуществ их по отношению к металлическим: меньшие ТКЗ, разброс времени задержки и общее затухание сигнала.

Пьезопреобразователи изготавливают из пьезокерамики (цирконата — титаната свинца ЦТС-23 или ЦТС-24) в виде прямоугольных пластин, на две поверхности которых химическим способом наносят никелевые (серебряные) покрытия. Коэффициент электромеханической связи преобразователей составляет около 0,6.

Переходным слоем может быть индиевый припой, причем перед пайкой пьезоэлементов к стеклянному звуко-поводу на последний наносят способом вакуумного напыления металлическую подложку толщиной около 1 мкм, состоящую из слоя хрома и слоя меди. Для получения необходимых характеристик линий толщину слоя припоя делают не более 10 мкм. Для упрощения технологии изготовления (исключения подложки) переходным слоем может служить клей на основе эпоксидных смол, например, ОК-72Ф. В этом случае преобразователь изготавливают по чертежам рис. 1 (штриховкой и утолщенной линией показаны металлизированные участки). Толщину клеевого слоя делают не более 3 мкм.

Для звукопроводов из стекла С62-1, в котором скорость ультразвука равна 2547 м/с, длина акустического пути составляет 162,8 мм, при которой время задержки сигнала равно 64 мкс. Поэтому при изготовлении малогабаритных УЛЗ применяют звукопроводы, выполненные в виде многогранников, в которых происходит многократное отражение распространяющихся акустических волн. Естественно, что чем больше число рабочих граней у звукопровода, тем меньше его габариты. Но при этом усложняется технология изготовления. Это связано с дополнительной механической обработкой граней (с целью получения заданного класса чистоты поверхности для того, чтобы не увеличивалось затухание основного сигнала), с осуществлением специальных пропилов на гранях или нанесением поглощающего покрытия на ребра и места на рабочих гранях, на которые не попадает ультразвуковая волна (с целью устранения дополнительных ложных сигналов за счет многократных отражений), с требованием большой точности к угловым и линейным размерам. Различные геометрические формы стеклянных звукопроводов для УЛЗ на 64 мкс и их размеры приведены на рис. 2.

Основные параметры линий задержки из стекла приведены в таблице. Для сравнения там же указаны параметры металлических УЛЗ. Внешний вид стеклянной УЛЗ и ее габариты показаны на рис. 3.

Большое влияние на электрические параметры УЛЗ оказывают согласующие элементы, расположенные на входе и выходе линии задержки. Простейшим и достаточно эффективным является включение катушек и резисторов на входе и выходе УЛЗ, как показано на рис, 4.

Элементы согласования выбирают по известным входным и выходным параметрам линии (сопротивление и емкость), учитывая соотношения:

где С_вх и С_вых — входная и выходная емкости преобразователей УЛЗ (С_вх=С_вых= 1000 — 1500 пФ),

R_г— внутреннее сопротивление источника сигналов.

Амплитудно-частотные характеристики серийно выпускаемых линий задержки УЛЗ 64-2 приведены на рис. 4 (сплошной линией показана характеристика линии без согласующих элементов, а штриховой — с применением согласующих элементов). Кроме того, согласование УЛЗ позволяет уменьшить уровень ложных сигналов 3т в среднем на 5—10 дБ.

В любой УЛЗ при подаче на ее вход электрических сигналов на входе и выходе линии появляются ложные (паразитные) сигналы. Ложные (эхо) сигналы подразделяют на кратные и некратные времени задержки т и на сигналы прямого прохождения.

Рис. 1. Конструкция пьезо преобразователя.

Рис. 2. Конструкция звукопроводов.

Рис. 3. Ультразвуковая линия задержки из стекла (1 — крышка; 2 — пьезо преобразователь; 3 — звукопровод (стекло); 4 — корпус; 5 — резиновая прокладка; б — заливка ЭЗК-6).

Рис. 4. Схема согласования УЛЗ и амплитудно-частотные характеристики до и после согласования.

Рис. 5. а) Пути распространения ложных сигналов в звукопроводе; б) Звукопровод с пропилами для уменьшения ложных сигналов.

Кратные т ложные сигналы имеют время задержки 2т, 3т, 4т и т. д. относительно входного сигнала. Ложные сигналы 4т, 5т и т. д. не оказывают заметного влияния на качество цветного изображения и поэтому в дальнейшем рассматриваться не будут.

Линии задержки со стержневым звукопроводом, которые применяли вначале разработок цветных телевизоров, имели в основном только кратные ложные сигналы. В современных малогабаритных УЛЗ, в которых используется многократное отражение основного сигнала, появляются дополнительно и ложные сигналы, некратные времени задержки. Причем количество и временной сдвиг их зависят от формы звукопровода и пути распространения ультразвуковых колебаний (см. рис,5,а).