磁带记录器：模拟式和数字式记录技术及应用

磁带记录器是利用磁记录技术在磁带上记录（存储）被测信息的一种记录仪器。它作为一种记录时间函数的装置，既可以用作模拟记录，也可将信号经过模-数转换后，以数字量的形式记录下来。也就是说，根据记录信号的特征，磁带记录器可分为模拟式记录器和数字式记录器两大类。因此，磁带记录器不但可以用于自动检测与控制中的信息记录，也可以作为计算机或数据处理装置的输入与输出设备。

磁带记录器之所以获得了广泛应用，是由于它具有记录频带宽（0～2MHz），记录和存储的信息密度高，容量大，输入与输出信息速度快，存储的信息可以长期保存，多次重放，也可以抹除，磁介质可多次使用，存储的信息稳定性高，抗干扰能力强等优点。

一、结构与工作原理

磁带记录器又称磁带机，它由三部分组成，其基本构成如图6-1所示。

（1）放大器：它包括记录放大器和重放放大器。记录放大器把被测信号放大成最适于磁记录的形式供给记录磁头；重放放大器则将重放磁头检测到的信号进行放大和变换，然后输出。

（2）磁头：它是一种磁电换能器，包括记录磁头和重放磁头。在记录过程中，前者将电信号转换为磁带的磁化状态，实现电-磁转换；而后者把磁带的磁化状态变换为电信号，实现磁-电转换。

图6-1 磁带记录器的基本构成

1—磁带；2—记录磁头；3—重放磁头

（3）磁带传动机构：其主要作用是保证磁带按一定的线速度在磁头上平滑地运动，以实现记录和重放过程。

磁带是一种坚韧的塑料薄带（厚度约50μm），由塑料基带、磁性材料涂层和粘着层三部分组成。磁性材料采用硬磁材料，通常采用三氧化二铁，其矫顽力大，剩余磁感应强度大。

磁头通常是由导磁率高、磁阻小、涡流损失小、耐磨性好的软磁材料制成，其形式通常为两个C形薄片叠成的形式（如图6-2所示）。在它们之间夹着极薄的非磁性材料形成前后磁隙，在铁芯上绕有线圈。磁带在传动机构的驱动下，紧贴记录磁头或重放磁头的前磁隙匀速运动。当输入信号经记录放大器放大后输给记录磁头的线圈时，在磁头的磁路中将产生与电流信号的变化规律完全相同的磁通。由于磁隙处磁阻很高，当磁带从磁头的前磁隙（工作磁隙）下方经过时，由前磁隙溢出的交变磁通便通过磁带上磁阻很低的磁性层，从一磁极到另一磁极构成了封闭回路。当磁带运动速度恒定时，磁性层受到的磁化程度与溢出的磁通成正比。由于磁性层具有较大的剩余磁感应强度和矫顽力，使被磁化部分形成一个个小磁化单元，相当于一个个小永久磁铁。磁带离开前磁隙之后，被磁化的部分仍保持其磁化状态。这样，被测信号就以永久性剩余磁化的形式录在了磁带上。

图6-2 磁头结构与工作原理示意图

1—后磁隙；2—铁芯；3—线圈；4—前磁隙；5—磁性层；6—基带

当录有信号的磁带以相等的线速度从重放磁头下面扫过时，磁性层上的磁化单元将按时间先后顺序经过重放磁头的前磁隙，在前磁隙处形成一个与被录信号变化规律相同的磁场信号。由于前磁隙的磁阻大，而磁头的铁芯是良导磁材料，所以磁带上的信号磁通将通过磁头的铁芯闭合，使铁芯上的检测线圈感应出电动势e。该电动势e与剩磁磁通的变化率成比例，即：e＝﹣KdΦ/dt（K 为常数）。剩磁磁通的变化率dΦ/dt与磁化单元的磁场强度、磁头铁芯的导磁率及磁带、磁头之间的相对运动速度有关。电动势e经放大电路恢复成原来被录信号的波形后，即可输出到示波器等显示单元，重新显示出来。后磁隙的作用是调整磁头的感度和改善带磁性能。

图6-3 磁带存储信息的消除

磁带存储的信息可以消除。消除的方法是，利用“消去磁头”通入高频大电流（100mA 以上）产生的磁场，将磁带向某一方向磁化到饱和状态，然后又向相反方向磁化，多次反复。在磁带离开磁头的过程中，磁化单元所受的高频强磁场作用逐渐减弱，剩磁减少，磁化过程沿图6-3中的PSABCD⋯逐渐变小的磁滞回线进行。最后，磁带上的所有磁畴磁化方向变成完全无规则状态，即宏观上不再呈磁性。

二、记录方式

按照信息记录方式，磁带记录可分为模拟记录与数字记录两类。

1.模拟记录

模拟记录可分为直接记录式、频率调制式、脉宽调制式等记录方式。

（1）直接记录方式（DR方式）：它是将输入信号放大后，不进行波形变换，直接将信号记录在磁带上。由图6-4可知，由于磁化磁场H和磁滞磁性材料的剩磁BR之间不是线性关系，在零点附近和饱和区都呈非线性，只有中间一段是线性区。因此，剩磁曲线的非线性，将使记录信号重放时，产生严重的失真。为解决失真问题，通常在输入信号上，叠加一个振幅恒定的高频信号，称为偏磁信号，使被记录信号的变化范围（即高频偏磁信号的包络线），始终保持在BR-H特性曲线的线性区内，这样可以消除重放信号的畸变现象，提高线性指标。偏磁信号的频率一般是记录信号最高频率的五倍左右。

直接记录方式的优点是结构简单、工作频带宽（50Hz～2MHz），常用于记录声音和高频过程等。缺点是信号迭落较大，即当磁带和磁头接触不良时，如磁带上铁磁体粒子不均匀，附着尘埃脏物，损伤和磁头不光滑等，使输出信号显著变化。其次是低频响应性能差，50Hz以下信号记录有困难。

（2）调频记录方式（FM 方式）：其工作原理如图6-5所示。信号输入调制器被调制成调频波后进入记录磁头。重放时，重放磁头从磁带上取出频率信息，经过解调、低通滤波后输出记录信号。调频记录方式是测量用磁带记录器中用得较广的一种方式。调频方式应选择一个特定频率作为载波中心频率，载波频率的偏移正比于输入信号的幅值。按ISO标准满幅输入时载波频率的偏移可达到中心频率的±40％。

图6-4 具有偏磁信号的DR方式原理图

图6-5 调频记录方式

FM 记录方式的优点是，完全克服了DR记录方式的缺点，可以记录低频甚至静止过程。信号迭落小，频率变化对相位偏移的影响极小，所以记录波形失真小。缺点是走带速度变化会产生与载波频率偏移相同的效果，所以易产生“速度偏差”或“抖动”，因此走带系统精度要求高。其次是工作频带比直接记录方式窄，一般在0～40kHz左右，适于记录低频信号。如机械振动、噪声等。

（3）脉宽调制记录方式（PWM 方式）：其工作原理见图6-6。通过作为标准的锯齿波电压与输入信号相比较，把输入信号调制成脉冲宽度的变化。然后将被调制的矩形波在磁带上实行饱和记录，重放磁带，接收的信号经低通滤波器滤出低频分量，再输出信号。

图6-6 脉宽调制记录方式原理图

PWM 记录方式运带系统的稳定性对测量对象影响很小，可实现高精度记录；传动机构较简单，可多路记录。特别适用于长时间记录和接近静态的大量低频信号的记录。

2.数字记录方式

数字式磁带记录器用于数字信号记录。由于数字计算机的广泛应用，与之配合的数字式磁带记录器也得到了发展。

数字记录方式，使用二进制记数，即只有“0”和“1”两个基本数，这不仅便于记录而且便于运算。用磁带记录“0”和“1”时，是分别利用磁带正负方向磁层的饱和磁化。

图6-7表示数字式记录器写入、读出“1”与“0”的过程。在写入“1”时，记录磁头电流方向由a b，此时磁层磁化方向为S—N，磁通Φ为正值。当读出“1”时，在重放磁头线圈输出端为先负后正的感应电势，这一电势通过放大器和鉴别线路后取出“1”信号。在写入“0”时，记录磁头电流方向由b→a，磁通方向相反，同样可从先正后负的感应电势中取出“0”信号。

将二进制数记录在磁带上可以按不同的方式进行，如回零制（RZ）、回基线制（RB）、不回零制（NRZ）、不回零遇1换向制（NRZ1）、调相制（PE）、改进调频制（MEM）、成组编码制（GCR）等。目前已列入数字磁带记录器记录方式标准的有NRZ1、PE和GCR。图6-8表示了这三种记录方式。

图6-7 数字式记录器“写”“读”过程

图6-8 三种数字记录方式(www.xing528.com)

（1）NRZ1：“1”代表正向写电流，“0”代表负向写电流。每当遇“1”时电流方向改变，而遇“0”时电流方向不变，逢“1”就翻。

（2）PE：它是通过改变电流信号的相位记录信息。是一种绝对相位编码记录方式，写电流为双极性脉冲，作基本频带信号。记录“1”时，写电流的前半周期为负而后半周期为正；记录“0”时，写电流的前半周期为正而后半周期为负。

（3）GCR：它是指将四位信息变换为五位进行记录。变换的原则是，禁止用连续三位以上为“0”的代码组合。变换后的编码花样按NRZ1方式写入磁带。

数字记录的优点是：准确可靠，记录带速度不稳定对记录精度基本上无影响，记录重放的电子线路简单，储存的信息可直接送到计算机进行处理。

三、磁带记录器的技术性能及特点

磁带记录器是比较复杂的记录仪器，表达其特性的指标也较多。为了正确选择与使用磁带记录器，必须了解其技术性能与特点。这里介绍几个主要性能参数。

1. 磁带速度和频率特性

在国际上常见的IRIG和ISO标准中，按记录密度对磁带记录器进行分类，可分为窄频带、中频带、第一宽频带和第二宽频带四种型式。

在各种记录密度中，对应不同的带速将有各种工作频带，记录信号中不可忽视的最高次谐波的频率应在工作频带内。磁带速度与工作频率的关系见表6-1。表中给出的工作频带是在规定不平直度条件下的频率范围。一般不平直度为±1～±3dB。

表6-1 调频（FM）和直接（DR）记录方式的带速与工作频率的关系

为了保证记录、重放的精度以及磁带的互换性，磁带速度须保证有较高的精度一般的带速精度为±0.2％。

2.磁道数

磁道数为能够同时记录信号的个数，亦称通道数，它与磁带宽度有关。如：1英寸磁带有14、28、42磁道；英寸有7、14磁道等。随着制作技术的发展，磁道在不断增多，以提高磁带记录器同步记录的能力。

3.信噪比

在记录规定的频率和电压时（例如1V），信噪比是指重放信号有效值与输入端开路时重放输出噪声电压有效值的比值，用dB（分贝）表示。一般FM 记录方式的信噪比为40～45dB，DR记录方式为32～45dB。

4.失真率

当输入规定的频率和电压时，在记录和重放信号中引起的其他谐波电压和规定电压值之间的比值。约±1％左右。

5.直流漂移

记录放大器输入短路时，重放放大器直流输出电压的变化值，对额定满幅的输出（例如±1V）值的比值。一般为±1％。

6.抖动率

亦称变音颤动，指瞬时的带速变化。用规定带速下偏差峰-峰值的百分比表示。一般抖动率为0.5％。

四、磁带记录器的应用

磁带记录器有着广泛而多样的用途，归纳起来，主要有以下几方面：

1.信号记录

磁带记录器可将科学研究中大量的信号进行记录、储存，然后进行分析。特别对付出昂贵代价而得到的数据信号，或由于条件限制不可能再次实验的信号更为重要。

2.时间轴变换

利用磁带记录器某时间轴变换功能作为与各种数据处理装置相配的缓冲存储器。如用于高频信号的分析，超低频信号的频谱分析，高速率分析长时间记录的数据等。

3.可使数据反复重现

通过反复重放、倒带的方法或环带方式可使数据反复出现。运用这一功能可对数据进行统计性处理，也可将偶发性过渡现象变成连续波，使一般的频率分析器能够解释偶发性突出现象。

4.便于同步分析

用多路频率调制方式能同时同步记录多达数百路的信号，便于同步分析。

磁带记录器可以与许多仪器组合配套，用来测量各种模拟量和数字量。图6-9概略表示了应用磁带记录器时仪器的组合方案。

图6-9 应用磁带记录器时仪器组合方案

一般磁带记录器的额定输入为1～10V左右。如果输入信号超过此值，应采用衰减器；如信号微弱，则采用放大器。在选用放大器时，需考虑与磁带记录仪的匹配问题。