CD и радиодетали почтой
Диски со схемами, секретами ремонта, радиожурналами, книгами…
 

Для содержимого этой страницы требуется более новая версия Adobe Flash Player.

Получить проигрыватель Adobe Flash Player

 

Принципиальная схема разработанного автором метаплоискателя по принципу "передача - прием"

приведена на рис.18 - входной блок и рис.19 - блок индикации Разделение на блоки - условно и не отражает особенностей конструкции.


Рис.18. Принципиальная электрическая схема входного блока металлоискателя по принципу "передача-прием "


Генератор
Собран на логических элементах 2 И-НЕ D1.1-D1.4. Частота генератора стабилизирована кварцевым или пьезокерамическим резонатором Q с резонансной частотой 2 15(Гц) = 32(кГц) ("часовой кварц"). Цепочка R1C1 препятствует возбуждению генератора на высших гармониках. Через резистор R2 замыкается цепь ООС, через резонатор Q - цепь ПОС. Генератор отличается простотой, малым потребляемым током от источника питания, надежно работает при напряжении питания 3 (-15)(В), не содержит подстроечных элементов и чересчур высокоомных резисторов. Выходная частота генератора - около 32(кГц). Кольцевой счетчик
Кольцевой счетчик выполняет две функции. Во-первых, он делит частоту генератора на 4, до частоты 8(кГц) (рекомендации по выбору частоты - см. гл. 1.1). Во-вторых, он формирует два сигнала, сдвинутых друг относительно друга на 90° по фазе. Один сигнал используется для возбуждения колебательного контура с излучающей катушкой, другой - в качестве опорного сигнала синхронного детектора. Кольцевой счетчик представляет собой два D- триггера D2.1 и D2.2, замкнутых в кольцо с инверсией сигнала по кольцу. Тактовый сигнал - общий для обоих триггеров. Любой выходной сигнал первого триггера D2.1 имеет сдвиг по фазе на плюс-минус четверть периода (т.е. на 90°) относительно любого выходного сигнала второго триггера D2.2. Усилитель мощности Собран на операционном усилителе (ОУ) D3.1. Колебательный контур с излучающей катушкой образован элементами L1C2. Параметры катушки индуктивности приведены в таблице. Марка провода обмоток- ПЭЛШО 0,44.
В цепь ОС усилителя выходной колебательный контур включен только на 25%, благодаря отводу от 50-го витка излучающей катушки L1. Это позволяет увеличить амплитуду тока в катушке при приемлемом значении емкости прецизионного конденсатора С2.

Таблица. Параметры катушек индуктивности датчика

Обозначение
Назначение
Количество витков
Внутр. диаметр
L1
излучающая
50+150
190мм
L2
приемная
100
125мм


Величина переменного тока в катушке задается резистором R3. Этот резистор должен иметь минимальную величину, но такую, чтобы ОУ усилителя мощности не попадал в режим ограничения выходного сигнала по току (не более 40(мА)) или, - что вероятнее всего при рекомендуемых параметрах катушки индуктивности L1,- по напряжению (не более ±3,5(В) при напряжении батарей питания ±4,5(В)). Для того, чтобы убедиться в отсутствии режима ограничения, достаточно проверить осциллографом форму сигнала на выходе ОУ D3.1. При нормальной работе усилителя на выходе должен присутствовать сигнал, приближающийся по форме к синусоиде. Вершины волн синусоиды должны иметь плавную форму, "обрезание" вершин должно отсутствовать. Цепь коррекции ОУ D3.1 состоит из корректирующего конденсатора СЗ емкостью ЗЗ(пФ).
Приемный усилитель
Приемный усилитель - двухкаскадный. Первый каскад выполнен на ОУ D5.1. Он обладает высоким входным сопротивлением благодаря последовательной ООС по напряжению. Это позволяет исключить потери полезного сигнала вследствие шунтирования колебательного контура L2C5 входным сопротивлением усилителя. Коэффициент усиления первого каскада по напряжению составляет: Ku =(R9/R8) + 1 =34. Цепь коррекции ОУ D5.1 состоит из корректирующего конденсатора С6 емкостью 33 (пФ).
Второй каскад приемного усилителя выполнен на ОУ D5.2 с параллельной ООС по напряжению. Входное сопротивление второго каскада: Rbx = R10 = 10(к0м) -не так критично, как первого, ввиду низкоомности его источника сигнала. Разделительный конденсатор С 7 не только предотвращает накапливание статической погрешности по каскадам усилителя, но и корректирует его ФЧХ. Емкость конденсатора выбирается такой, чтобы создаваемое цепочкой C7R10 опережение по фазе на рабочей частоте 8(кГц) компенсировало запаздывание по фазе, вызванное конечным быстродействием ОУ D5.1 и D5.2.
Второй каскад приемного усилителя, благодаря своей схеме, позволяет легко осуществить суммирование (подмешивание) сигнала от схемы компенсации через резистор R11. Коэффициент усиления второго каскада по напряжению полезного сигнала составляет: Ки = - R12/R10 = -33, а по напряжению компенсирующего сигнала: Кик = -R12/R11= -4. Цепь коррекции ОУ D5.2 состоит из корректирующего конденсатора С8 емкостью ЗЗ(пФ).
Схема компенсации
Выполнена на ОУ D3.2 и представляет собой инвертор с Ки = - R7/R5 = -1. Регулировочный потенциометр R6 вкпючен между входом и выходом этого инвертора и позволяет снять сигнал, лежащий в диапазоне [-1 ,+1] от выходного напряжения ОУ D3.1. Выходной сигнал схемы компенсации с движка регулировочного потенциометра R6 поступает на компенсирующий вход второго каскада приемного усилителя (на резистор R11). Регулировкой потенциометра R6 добиваются нулевого значения на выходе синхронного детектора, что приблизительно соответствует компенсации проникшего в приемную катушку нежелательного сигнала. Цепь коррекции ОУ D3.2 состоит из корректирующего конденсатора С4 емкостью 33 (пФ).
Синхронный детектор
Синхронный детектор состоит из балансного модулятора, интегрирующей цепочки и усилителя постоянных сигналов (УПС). Балансный модулятор реализован на основе многофункционального коммутатора D4, выполненного по интегральной технологии с комплементарными полевыми транзисторами как в качестве управляющих дискретных вентилей, так и в качестве аналоговых ключей. Коммутатор работает в качестве аналогового переключателя. С частотой 8(кГц) он поочередно замыкает на общую шину выходы "треугольника" интегрирующей цепочки, состоящей из резисторов R13 и R14 и конденсатора С10. Сигнал опорной частоты поступает на балансный модулятор с одного из выходов кольцевого счетчика.
Сигнал на вход "треугольника" интегрирующей цепочки поступает через разделительный конденсатор С9 с выхода приемного усилителя. Постоянная времени интегрирующей цепочки t=R13 х C10 = R14 хC10. Она должна быть, с одной стороны, как можно больше, чтобы как можно сильнее ослабить влияние шумов и помех. С другой стороны, она не должна превышать некоторый предел, когда инерционность интегрирующей цепочки препятствует отслеживанию быстрых изменений амплитуды полезного сигнала.
Наибольшую скорость изменения амплитуды полезного сигнала можно охарактеризовать некоторым минимальным временем, за которое может произойти это изменение (от установившегося значения до максимального отклонения) при движении датчика металлоискателя относительно металлического предмета. Очевидно, что максимальная скорость изменения амплитуды полезного сигнала будет наблюдаться при максимальной скорости движения датчика. Она может достигать 5(м/с) для "маятникового" движения датчика на штанге. Время изменения амплитуды полезного сигнала можно оценить как отношение базы датчика к скорости движения. Положив минимальное значение базы датчика, равное 0,2(м), получим минимальное время изменения амплитуды полезного сигнала 40(мс). Это в несколько раз больше, чем постоянная времени интегрирующей цепочки при выбранных номиналах резисторов R13, R14 и конденсатора С10. Следовательно, инерционность интегрирующей цепочки не исказит динамику даже самых быстрых из всех возможных изменений амплитуды полезного сигнала отдатчика металлоискателя.
Выходной сигнал интегрирующей цепочки снимается с конденсатора С 10. Так как у последнего обе обкпадки находятся под "плавающими потенциалами", УПС представляет собой дифференциальный усилитель, выполненный на ОУ D6. Помимо усиления постоянного сигнала, УПС выполняет функцию фильтра нижних частот (ФНЧ), дополнительно ослабляющего нежелательные высокочастотные компоненты на выходе синхронного детектора, связанные, в основном, с неидеальностью балансного модулятора. ФНЧ реализуется благодаря конденсаторам С 11, С 13. В отличие от остальных узлов металлоискателя, ОУ УПС по своим параметрам должен приближаться к прецизионным ОУ. В первую очередь, это относится к величине входного тока, величине напряжения смещения и величине температурного дрейфа напряжения смещения. Удачным вариантом, сочетающим хорошие параметры и относительную доступность, является ОУ типа К140УД14 (или КР140УД1408). Цепь коррекции ОУ D6 состоит из корректирующего конденсатора С12 емкостью 33 (пФ). Нелинейный усилитель Выполнен на ОУ D7.1 с нелинейной ООС по напряжению. Нелинейная ООС реализована двухполюсником, состоящим из диодов VD1-VD8 и резисторов R20-R24 Амплитудная характеристика нелинейного усилителя приближается к логарифмической. Она представляет собой кусочно-линейную, с 4-мя точками излома для каждой полярности, аппроксимацию логарифмической зависимости. Благодаря плавной форме вольтамперных характеристик диодов амплитудная характеристика нелинейного усилителя сглажена в точках излома. Малосигнальный

Рис.19. Принципиальная электрическая схема блока индикации металлоискателя по принципу "передача-прием ".
коэффициент усиления нелинейного усилителя по напряжению составляет: Кик = -(R23+R24)/R19 = -100. С ростом амплитуды входного сигнала коэффициент усиления уменьшается. Дифференциальный коэффициент усиления для большого сигнала составляет: дUвых/дUвх = - R24/R19 = -1. К выходу нелинейного усилителя подключен стрелочный измерительный прибор - микроамперметр с последовательно включенным добавочным резистором R25. Так как напряжение на выходе синхронного детектора может иметь любую полярность (в зависимости от сдвига фазы между его опорным и входным сигналами), использован микроамперметр с нулем в середине шкалы. Таким образом, стрелочный прибор имеет диапазон индикаций -100 ... 0... +100(мкА). Цепь коррекции ОУ D7.1 состоит из корректирующего конденсатора С 18 емкостью ЗЗ(пФ).
Ограничитель по минимуму
Реализован на ОУ D7.2 с нелинейной параллельной ООС по напряжению Нелинейность заключена во входном двухполюснике и состоит из двух встречно-параллельно включенных диодов VD9, VD10 и резистора R26.
Формирование звукового сигнала индикации из выходного сигнала нелинейного усилителя начинается с еще одной корректировки амплитудной характеристики усилительного тракта. В данном случае формируется зона нечувствительности в области малых сигналов. Это означает, что звуковая индикация включается только для сигналов, превосходящих некоторый порог. Этот порог определяется прямым напряжением диодов VD9, VD10 и составляет около 0.5(B). Таким образом, слабые сигналы, связанные в основном с движением прибора и его механическими деформациями, отсекаются и не раздражают слух.
Малосигнальный коэффициент усиления ограничителя по минимуму равен нулю. Дифференциальный коэффициент усиления по напряжению для большого сигнала составляет: дUвых/дUвх = - R27/R26 = -1. Цепь коррекции ОУ D7.2 состоит из корректирующего конденсатора С 19 емкостью ЗЗ(пФ).
Балансный модулятор
Сигнал звуковой индикации формируется следующим образом. Постоянный или медленно меняющийся сигнал на выходе ограничителя по минимуму перемножается на опорный сигнал звуковой индикации. Опорный сигнал задает форму для звукового сигнала, а выходной сигнал ограничителя по минимуму-амплитуду. Перемножение двух сигналов осуществляется с помощью балансного модулятора. Он реализован на многофункциональном коммутаторе D11, работающем в качестве аналогового ключа, и ОУ D8.1. Коэффициент передачи устройства равен +1 при разомкнутом ключе и -1 - при замкнутом. Цепь коррекции ОУ D8.1 состоит из корректирующего конденсатора С20 емкостью ЗЗ(пФ).
Формирователь опорного сигнала звуковой индикации
Реализован на двоичном счетчике D9 и счетчикедешифраторе D10. Счетчик D9 делит частоту 8(кГц) с выхода кольцевого счетчика до частоты 2(кГц) и 32(Гц). Сигнал с частотой 2(кГц) поступает на младший разряд адреса АО многофункционального коммутатора D11, задавая таким образом тональный сигнал с наиболее чувствительной для человеческого уха частотой. Этот сигнал будет воздействовать на аналоговый ключ балансного модулятора только в том случае, когда на старшем разряде адреса А1 многофункционального коммутатора D11 будет присутствовать логическая единица. При логическом нуле на А1 аналоговый ключ балансного модулятора все время разомкнут.
Сигнал звуковой индикации формируется прерывистым, чтобы меньше утомлялся слух. Для этого используется счетчик-дешифратор D10, который управляется тактовой частотой 32(Гц) с выхода двоичного счетчика D9 и формирует на своем выходе прямоугольный сигнал с частотой 8(Гц) и соотношением длительности логической единицы и логического нуля, равным 1/3. Выходной сигнал счетчикадешифратора D10 поступает на старший разряд адреса А1 многофункционального коммутатора D11, периодически прерывая формирование тональной посылки в балансном модуляторе.
Усилитель пьезоизлучателя
Реализован на ОУ D8.2. Он представляет собой инвертор с коэффициентом усиления по напряжению Кu = -1. Нагрузка усилителя - пьезоизлучатепь - включена по мостовой схеме между выходами ОУ D8.1 и D8.2. Это позволяет в два раза увеличить амплитуду выходного напряжения на нагрузке. Выключатель S предназначен для отключения звуковой индикации (например, при настройке). Цепь коррекции ОУ D8.2 состоит из корректирующего конденсатора С21 емкостью 33 (пФ).


Типы деталей и конструкция


Типы используемых микросхем приведены в таблице. Вместо микросхем серии К561 возможно использование микросхем серии К1561. Можно попытаться применить некоторые микросхемы серии К176 и зарубежные аналоги.
Сдвоенные операционные усилители (ОУ) серии К15 7 можно заменить любыми сходными по параметрам одиночными ОУ общего назначения (с соответствующими изменениями в цоколевке и цепях коррекции), хотя применение сдвоенных ОУ удобнее (возрастает плотность монтажа). ОУ синхронного детектора D6, как^ке указывалось выше, по своим параметрам должен приближаться к прецизионным ОУ. Кроме типа, указанного в таблице, подойдут К140УД14,140УД14. Возможно применение ОУ К140УД12,140УД12, КР140УД1208 в соответствующей схеме включения.
Таблица. Используемые микросхемы.

Обозначение по рис.18, рис.19
Тип
Функциональное назначение
D1
К561ЛА7
4 эл-та 2И-НЕ
D2
К561ТМ2
2 D-триггера
D3..D5.D7.D8
К157УД2
сдвоенный ОУ
D4.D11
К561КП1
2 коммутатора 4 на 1
D6
КР140УД1408
точный ОУ
D9
К561ИЕ10
2двоичн. счетчика
D10
К561ИЕ9
счетчик-дешифратор


К применяемым в схеме метаплоискателя резисторам не предъявляется особых требований. Они лишь должны иметь прочную конструкцию и быть удобны для монтажа. Номинал рассеиваемой мощности 0,125- 0,25(Вт).
Потенциометр компенсации R6 желателен многооборотный типа СП5-44 или с нониусной подстройкой типа СП5-35. Можно обойтись и обычными потенциометрами любых типов. В этом случае желательно их использовать два. Один - -для грубой подстройки, номиналом 10(к0м), включенный в соответствии со схемой. Другой - для точной подстройки, включенный по схеме реостата в разрыв одного из крайних выводов первого потенциометра, номиналом 0,5-1 (кОм).
Конденсаторы С 15. С 17 - электролитические. Рекомендуемые типы - К50-29, К50-35, К53-1, К53-4 и др. малогабаритные. Остальные конденсаторы, за исключением конденсаторов колебательных контуров приемной и излучающей катушек, - керамические типа К10-7 (до номинала 68(нФ)) и металлопленочные типа К73-17 (номиналы выше 68(нФ)). Конденсаторы контуров - С2 и С5 - особые. К ним предъявляются высокие требования по точности и термостабильности. Каждый конденсатор состоит из нескольких (5...10 шт.) конденсаторов, включенных в параллель. Настройка контуров в резонанс осуществляется подбором количества конденсаторов и их номинала. Рекомендуемый тип конденсаторов К10-43. Их группа по термостабильности - МПО (т.е. приблизительно нулевой ТКЕ) Возможно применение прецизионных конденсаторов и других типов, например, К71-7. В конце концов, можно попытаться использовать старинные термостабильные слюдяные конденсаторы с серебряными обкладками типа КСО или полистирольные конденсаторы.
Диоды VD1-VD10типa КД521, КД522 или аналогичные кремниевые маломощные.
Микроамперметр -любого типа на ток 100(мкА) с нулем посередине шкалы. Удобны малогабаритные микроамперметры, например, типа М4247.
Кварцевый резонатор Q - любой малогабаритный часовой кварц (аналогичные используются также в портативных электронных играх).
Выключатель питания - любого типа малогабаритный. Батареи питания - типа 3R12 - по международному обозначению, "квадратные" - по нашему.
Пьезоизлучатель Y1 - может быть типа ЗП1 ...ЗП18. Хорошие результаты получаются при использовании пьезоизлучателей импортных телефонов (идут в огромных количествах "в отвал" при изготовлении телефонов с определителем номера).
Конструкция прибора может быть достаточно произвольной. При ее разработке желательно учесть рекомендации, изложенные ниже, а также в параграфах, посвященных датчикам и конструкции корпусов.
Внешний вид прибора приведен на рис.20.


Рис.20. Конструкция металлоискателя по принципу "передача-прием ". Общий вид.


По своему типу датчик предлагаемого металлоискателя относится к датчикам с перпендикулярными осями. Катушки датчика склеены из стеклотекстолита эпоксидным кпеем. Этим же кпеем залиты обмотки катушек вместе с арматурой их электрических экранов. Штанга металлоискателя изготовлена из трубы из алюминиевого сплава (АМГЗМ, АМГ6М или Д16Т) диаметром 48 мм и с толщиной стенки 2-3 мм. Катушки приклеены к штанге эпоксидным кпеем. Соосная (излучающая) - с помощью переходной усиливающей втулки, перпендикулярная к оси штанги (приемная) - с помощью подходящей формы переходника. Указанные вспомогательные детали изготовлены также из стеклотекстолита. Корпус электронного блока изготовлен из фольгированного стеклотекстолита путем пайки. Соединения катушек датчика с электронным блоком выполнены экранированным проводом с внешней изоляцией и проложены внутри штанги. Экраны этого провода подключены только к шине общего провода на плате электронной части прибора, куда также подключаются экран корпуса в виде фольги и штанга. Снаржи прибор покрашен нитроэмалью.
Печатная плата электронной части металлоискателя может быть изготовлена любым из традиционных способов, удобно также использовать готовые макетные печатные платы под DIP корпуса микросхем (шаг 2,5 мм).

Налаживание прибора
Налаживание прибора рекомендуется производить в следующей последовательности.
1. Проверить правильность монтажа по принципиальной схеме. Убедиться в отсутствии коротких замыканий между соседними проводниками печатной платы, соседними ножками микросхем и т.п.
2. Подкпючить батареи или двуполярный источник питания, строго соблюдая полярность. Вкпючить прибор и измерить потребляемый ток. Он должен составлять около 20(мА) по каждой шине питания. Резкое отклонение измеренных значений от указанной величины свидетельствует о неправильности монтажа или неисправности микросхем.
3. Убедиться в наличии на выходе генератора чистого меандра с частотой около 32(кГц).
4. Убедиться в наличии на выходах триггеров D2 меандра с частотой около 8(кГц).
5. Подбором конденсатора С2 настроить выходной контур L1C2 в резонанс. В простейшем случае - по максимуму амплитуды напряжения на нем (около 10(B)), а более точно - по нулевому фазовому сдвигу напряжения контура относительно меандра на выходе 12 триггера D2.
6. Убедиться в работоспособности приемного усилителя. Настроить его входной колебательный контур L2C5 в резонанс. В качестве входного сигнала вполне достаточно паразитного сигнала, проникающего из излучающей катушки. Настройка в резонанс, как и для выходного контура, осуществляется подпайкой или удалением необходимого количества конденсаторов подходящих номиналов.
7. Убедиться в возможности компенсации паразитного сигнала потенциометром R6. Для этого сначала осциллографом контролируют выход ОУ D5.2. При вращении оси потенциометра R6 амплитуда сигнала с частотой 8(кГц) на выходе ОУ D5.2 должна меняться и в одном из средних положений движка R6 эта амплитуда будет минимальна. Далее следует проконтролировать выход синхронного детектора - выход ОУ D6. При вращении оси потенциометра R6 величина постоянного сигнала на выходе ОУ D6 должна меняться от максимального значения +3,5(В) до минимального -3.5(B) или наоборот. Переход этот достаточно резкий и чтобы его "поймать", как раз и удобно воспользоваться возможностями точной подстройки, упомянутой выше. Настройка заключается в установлении с помощью потенциометра R6 напряжения на выходе ОУ D6, равного нулю. Внимание! Настройку потенциометром R6 необходимо проводить при отсутствии вблизи катушек датчика металлоискателя крупных металлических предметов, включая измерительные приборы! В противном случае, при перемещении этих предметов или при перемещении датчика относительно них прибор расстроится, а при наличии крупных металлических предметов вблизи датчика установить выходное напряжение синхронного детектора в ноль не удастся. О компенсации см. также ниже в параграфе о возможных модификациях.
8. Убедиться в работе нелинейного усилителя. Простейший способ - визуально. Микроамперметр должен реагировать на процесс настройки, производимой потенциометром R6. При некотором положении движка R6 стрелка микроамперметра должна установиться в ноль. Чем дальше стрелка микроамперметра находится от нуля, тем слабее должен реагировать микроамперметр на вращение движка R6.
Внимание !!!
Может так оказаться, что неблагоприятная электромагнитная обстановка затруднит наладку прибора. В этом случае стрелка микроамперметра будет совершать хаотические или периодические колебания при приближении движка потенциометра R6 к тому положению, в котором должна иметь место компенсация сигнала. Описанное нежелательное явление объясняется наводками высших гармоник сети 50(Гц) на приемную катушку. На значительном удалении от проводов с электричеством колебания стрелки при настройке должны отсутствовать.
9. Убедиться в работоспособности узлов, формирующих звуковой сигнал. Обратить внимание на наличие небольшой зоны нечувствительности по звуковому сигналу вблизи нуля по шкале микроамперметра.
При наличии неполадок и отклонений в поведении отдельных узлов схемы металлоискателя следует действовать по общепринятой методике:
- проверить отсутствие самовозбуждения ОУ,
- проверить режимы ОУ по постоянному току,
- сигналы и логические уровни входов/выходов цифровых микросхем, и т.д. и т.п

 

 

Ваша реклама в наших бесплатных электронных книгах и на страницах сайта
Припой « Cynel » от Европейского производителя
Copyright©Ukraine.Lviv reg.2010 . Украина.Львовская обл.г.Трускавец.