先进的微电路脉冲金属探测器。方案、说明

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文章评论

与其他类型的金属探测器一样，PI（脉冲感应）金属探测器也在不断改进。由于使用了新的电路解决方案，这些设备可以实现更高的灵敏度。

据作者称，该设备的设计相当复杂，新手无线电爱好者很难重复。此外，在调整该装置时可能会出现一定的困难。需要特别注意的是，设备的安装错误和不正确的配置可能会导致昂贵元件的故障。

示意图

所提出的改进的脉冲金属探测器的示意图可以分为两部分，即：发射器单元和接收器单元。不幸的是，由于本书篇幅有限，我们无法详细介绍用于创建该器件的电路解决方案的所有功能。因此，下面将仅考虑最重要的节点和级联的功能基础。

如前所述，该金属探测器是本章上一节讨论的设备的改进版本。某些变化影响了脉冲生成和同步模块、发射器和电压转换器。接收器块电路发生了更显着的变化（图3.18）。

发射器模块包括脉冲生成和同步模块、发射器本身以及电压转换器。

米。 3.18。先进脉冲金属探测器发射单元示意图（点击放大）

整个设计的主要组件是脉冲生成和同步模块，该模块由 ATMEL 的 AT1C89 型微处理器 IC2051 制成，为发射器生成脉冲，并提供控制所有其他模块操作的信号。微控制器 IC1 的工作频率由石英谐振器 (6 MHz) 稳定。在指定的工作频率下，微处理器为金属探测器的各个阶段生成周期性的控制脉冲序列。

最初，在微处理器的引脚IC1/14处为晶体管T6生成控制脉冲，之后在晶体管T1的引脚IC15/7处生成类似的脉冲。然后再次重复该过程。结果，电压转换器启动。

接下来，在引脚 IC1/8、IC1/7、IC1/6、IC1/17、IC1/16 和 IC1/18 处顺序生成发送器触发脉冲。在这种情况下，这些脉冲具有相同的持续时间，但每个后续脉冲相对于前一个脉冲延迟了几个时钟周期。引脚 IC1/8 处生成的第一个脉冲的开始与引脚 IC1/15 处的第二个脉冲的中间重合。使用开关 P1，您可以选择发射器启动脉冲相对于启动脉冲的延迟时间。

在引脚 IC1/18 处的脉冲结束后的几个时钟周期，在引脚 IC1/2 处形成分析放大器的短门脉冲。与前面讨论的电路不同，在该器件中，在几个时钟周期后，在微控制器的同一引脚上形成第二个选通脉冲。

另外，在微处理器的引脚IC1/12和IC1/13处生成接收器单元的晶体管T31和T32的控制信号。晶体管 T31 的控制脉冲的中部与引脚 IC1/2 处的第一个栅极脉冲的中部重合，但引脚 IC1/12 处的脉冲持续时间几乎是引脚 IC1/13 处的两倍长。在这种情况下，所指示的脉冲具有负极性。引脚IC1/14处的控制脉冲信号的开始几乎与微控制器引脚IC1/2处的第二个脉冲的中间重合，并且在引脚IC1/处产生的第二个门脉冲结束后几个时钟周期结束。 11. 然后，在引脚 IC35/XNUMX 处，为接收器单元的声音信号电路的晶体管 TXNUMX 生成控制信号。短暂暂停后，微控制器相应输出处的控制脉冲序列再次形成。

先前由 IC5 稳定的 +2 V 电源电压施加到微控制器的 IC1/20 引脚。

由晶体管 T6-T8 和稳定器 IC3 组成的电压转换器确保形成为接收部分级联供电所需的 +5 V 电源电压。晶体管T7和T8的控制信号在微控制器IC1的相应引脚处产生，同时该信号通过装配在晶体管T8上的电平转换器提供给晶体管T6。接下来，所产生的电源电压由微电路IC3稳定，+5V的电压从微电路ICXNUMX的输出被提供给接收器级。

发射器的输出级由强大的晶体管 T1、T2 和 T3 组成，在公共负载（即线圈 L1）上运行，并由电阻器 R1-R6 链并联。输出级晶体管的操作由晶体管T4控制。到晶体管T4基极的控制信号是从处理器IC1的相应输出通过晶体管T5提供的。

与上一节讨论的金属探测器一样，微处理器 IC1 根据存储在其存储器中的程序生成的脉冲通过开关馈送到晶体管 T5 的输入端，然后通过晶体管 T4 馈送到发送器，由晶体管 T1-T3 组成，然后 - 到收发器线圈 L1。当金属物体出现在线圈L1的覆盖区域时，在发射器脉冲引发的外部电磁场的影响下，其表面会激发出涡流表面电流。这些电流的寿命取决于线圈 L1 发出的脉冲的持续时间。

表面电流是次级脉冲信号的来源，该信号由线圈 L1 接收、放大并馈送到分析电路。由于自感应现象，次级信号的持续时间将比发射线圈发射的脉冲的持续时间长。在这种情况下，次级脉冲信号的形状取决于制成所检测的金属物体的材料的特性。处理有关 L1 线圈发射和接收的脉冲参数差异的信息，确保为指示单元生成有关金属物体存在的数据。

接收器模块（图3.19）包括两级输入信号放大器、参考信号放大器、分析放大器、有源窄带滤波器、低通滤波器、偏置电压生成电路、开关电路和音频指示电路。

米。 3.19。改进型脉冲金属探测器接收单元示意图（点击放大）

来自金属物体的信号由线圈L1接收，并通过二极管D1和D2组成的保护电路馈送到由运算放大器IC31和IC32组成的输入两级电容反馈放大器。从 IC32 芯片（引脚 IC32/6）的输出，放大的脉冲信号被馈送到 IC33 芯片上制作的放大器分析器。

在器件工作期间，放大器 IC33 始终关闭，仅当相应输入（引脚 IC33/8）接收到栅极脉冲时才向其提供电源电压。提供电源电压后，放大器输出（引脚 IC33/5）保持在暴露于选通脉冲数秒期间记录的接收信号的电平。维持信号电平所需的时间取决于电容器C65的电容值。因此，接收到的脉冲信号被提供给放大器的一个输入（引脚 IC33/3），来自脉冲整形和同步模块（引脚 IC33/8）的相应门脉冲被提供给第二个输入（引脚 IC64/1）。）通过电容器C2。

接下来，选定的信号通过 IC34a 元件上制作的有源滤波器并调谐到 6 MHz 的频率。为了实现电路图上所示的该滤波器各个元件的参数，建议使用电阻器和电容器的并联连接。因此，例如，图中所示的电容器C67的电容值(0,044μF)是通过并联两个容量为0,022μF的电容器来实现的。需要注意的是，当使用工作频率非1 MHz的Q6石英元件时，应重新计算各个滤波器元件的值。

信号从滤波器的输出馈送到同步检测器，在同步检测器的输入端安装了由元件 IC1b 制成的增益为 34 的反相放大器。在这种情况下，通过闭合IC37微电路的相应触点对(引脚IC37/1,2和IC37/3,4)，提供给具有电容器C71的积分电路的负信号被切换。 IC37 微电路的控制信号由晶体管 T31-T33 的级联产生。

脉冲信号从积分链的输出传递到放大器级的输入，放大器级由 IC35 芯片制成，同时充当低通滤波器。运算放大器（引脚 IC35/6）输出端的电压降导致晶体管 T34 断开并连接到耳机 BF1 的公共线。当从微控制器（引脚IC1/11）到晶体管T35的相应输出接收到控制信号时，电话中将听到音频信号。电阻R77限制流经BF1耳机的电流。通过选择它，您可以调整声音信号的音量。

来自引脚 IC35/6 的信号还被馈送到另一个运算放大器（引脚 IC36/2）的输入，该运算放大器的作用是将输出信号归零。它的用途是这样解释的：在 IC33 微电路的输出端，即使 L1 搜索线圈范围内没有金属物体，也会产生时变输出信号，因此所得信号的幅度将为与零不同。使用电阻器 R86，偏置电压恰好在第一个栅极脉冲到达时施加到第二放大器级的输入（引脚 IC32/2）。所需的偏置电压电平取决于引脚 IC35/6 处的输出信号电平；使用积分链 C73、R78-R80 和 IC36 芯片上的放大器级来确保其形成。

仅当IC37微电路的相应触点（引脚IC37/9,8）闭合时，偏置电压发生电路才起作用。该时间段的持续时间为三个刻度。在这种情况下，IC37微电路的控制信号来自晶体管T31-T33上的级联。这确保了在第一和第二选通脉冲到达时刻生成的信号电平的均衡。通过按下按钮S2，可以显着减少调零过程的时间。

细节和设计

该设备的所有部件（搜索线圈 L1、开关 P1、开关 S1 和按钮 S2 除外）均位于尺寸为 3.20x95 毫米、由双面箔 getinax 或 textolite 制成的印刷电路板上（图 65）。

先进的微电路脉冲金属探测器
米。 3.20。高级脉冲金属探测器PCB

本装置所使用的部件没有特殊要求。建议使用任何可以毫无问题地放置在印刷电路板上的小尺寸电容器和电阻器。需要注意的是，为了实现电路图上所示的各个元件的参数，应使用电阻器和电容器的并联连接（图3.21）。在印刷电路板上提供额外的空间来容纳这些元件。

米。 3.21。改进的脉冲金属探测器的元件位置（点击放大）

LF356（IC31、IC32）等芯片可以用LM318或NE5534替换，但这样的替换可能会导致安装问题。作为放大器IC35，除了图中所示的IL071型微电路外，还可以使用CA3140、OP27或OP37微电路。 IC 类型 R061 (IC36) 可以轻松地用 CA3140 替换。

除了电路图中所示的晶体管之外，晶体管T1-T3还可以使用BU2508、BU2515或ST2408等晶体管。

石英谐振器的工作频率应为6 MHz。您可以使用谐振频率为 2 至 6 MHz 的任何其他石英元件。然而，在这种情况下，需要重新计算在 IC34a 元件上制作的滤波器元件的参数。

要安装微处理器 IC1，请使用特殊的插座。在这种情况下，只有在所有安装工作完成后才将微控制器安装到板上。在选择各个元件的值时进行与焊接相关的调整工作时也必须遵守这一条件。

特别要注意线圈L1的制作，其电感量应为500μH。该线圈的设计实际上与上一节讨论的金属探测器中使用的 L1 搜索线圈的设计没有什么不同。它制成直径为250毫米的环形，包含30匝直径不超过0,5毫米的电线。当使用直径较大的导线时，线圈中的电流会增加，但寄生涡流会增加得更快，这会导致器件的灵敏度变差。

需要注意的是，对于线圈 L1 的制造，不建议使用漆包线，因为发射脉冲时相邻匝之间的电位差达到 20 V。如果在绕制线圈匝数的过程中，导体发生短路，例如，在第一匝和第五匝附近，实际上可以保证绝缘击穿。

反过来，这可能导致发射器晶体管和其他元件发生故障。因此，用于制造线圈L1的电线必须至少是PVC绝缘的。还建议成品线圈绝缘良好。为此，您可以使用环氧树脂或各种泡沫填料。

线圈L1应使用两芯绝缘良好的电线连接到电路板，每芯的直径不应小于制作线圈本身的电线的直径。由于同轴电缆具有很大的固有电容，因此不建议使用同轴电缆。

声音信号的来源可以是阻抗为8至32欧姆的耳机，也可以是具有类似线圈阻抗的小型扬声器。

由于该金属探测器消耗的电流超过1mA，建议使用容量为2Ah左右的充电电池作为B200的电源。

其上带有元件的印刷电路板和电源被放置在任何合适的外壳中。外壳盖上有开关P1、用于连接耳机BF1和线圈L1的连接器、以及开关S1和按钮S2。

设立

该设备应设置在距离 L1 搜索线圈至少 1,5 m 的位置移除任何金属物体的条件下。

设置和调整所讨论的金属探测器的特殊性在于其各个块和级联是逐渐连接的。在这种情况下，每次连接操作（焊接）都是在电源关闭的情况下进行的。

首先，您需要在没有微控制器的情况下检查IC1微电路插座相应触点处的电源电压是否存在以及大小。如果该电压正常，那么接下来您应该在板上安装微处理器，并使用频率计或示波器检查引脚 IC1/4 和 IC1/5 处的信号。指定引脚处的引导信号频率必须与所使用的石英谐振器的工作频率相对应。

连接电压转换器的晶体管后（空载），电流消耗应增加约 50 mA。无负载时电容器 C10 上的电压不应超过 20 V。

然后应连接发射器级。晶体管T1-T4的工作模式必须相同，并通过选择电阻器R13-R16的值来设置。

由电阻器 R1-R1 并联的线圈 L3 的电阻应约为 500 欧姆。在这种情况下，线圈和电阻器的端子必须焊接良好，因为该电路中的接触故障会导致发射器的输出晶体管故障。

要检查发射器级联的功能，您可以将 L1 线圈靠近耳朵并打开金属探测器的电源。大约半秒后（将微控制器调零后），您可以听到低音信号，该信号的出现是由于线圈各匝的微振动所致。在这种情况下，晶体管T1-T3的集电极上将形成持续时间约为10-20μs的未调制尖脉冲，其形状可以使用示波器监测。电阻器 R1-R3 电阻的增加导致输出脉冲的幅度增加，同时其持续时间减少。为了选择线圈 L1 的分流电阻值，不建议使用可变电阻，因为即使电机与导电路径的接触短暂违反也会损坏发射器的输出晶体管。因此，建议以 50 欧姆的增量逐渐改变分流值。更换部件之前，请务必关闭设备电源。

接下来，您可以开始设置接收部分。如果所有部件状态良好且安装正确，则在打开金属探测器后（启动脉冲结束后约 20 μs），在 IC31 微电路（引脚 IC31/6）的输出处，使用使用示波器，您可以观察到指数增加的信号，变成恒定电平信号。通过选择电阻器 R1、R2 和 R3、并联线圈 L1 可以消除该信号前端的失真。

此后，您应该检查 IC32 芯片（引脚 IC32/6）输出端信号的形状和幅度。该信号的最大幅度通过选择电阻器 R64 的值来设置。在设置过程中，IC32/2引脚上的偏置电压可以由单独的分压器提供，该分压器可以用作标称值为5-50 kOhm的可变电阻器，例如连接在IC32/4,7之间。 86 针。电位器电机连接至电阻器RXNUMX。

在 IC33 芯片的输出端（引脚 IC33/5），您可以观察到矩形信号，其幅度由临时连接的电位计控制。接下来，您需要检查元件 IC34a 和 IC34b 输出处的信号。在这种情况下，引脚 IC34/6,7 处必须有正确的正弦曲线。结果，在电容器 C71 上形成恒定电压，该电压被提供给 IC35 微电路的输入。

在设置过程中，您可以观察设备对临时连接的电位器滑块位置变化的响应，然后应将分压器 R84、R85 焊接到位。

工作程序

使用金属物体探测器的过程与使用上一节中讨论的金属探测器没有显着差异。

在实际使用本金属探测器之前，请切换 P1 设置最小脉冲延迟。如果在工作过程中搜索线圈L1的作用区域有任何金属物体，那么耳机中就会出现声音信号。切换到脉冲延迟较长的工作模式不仅可以确保排除土壤磁性的影响，还可以消除设备对各种异物（生锈的钉子、香烟盒上的箔片、等）以及随后徒劳的搜索。

作者：Adamenko M.V.

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