微小回路上の高度なパルス金属探知機。スキーム、説明

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マイクロ回路上の高度なパルス金属検出器。無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

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他のタイプの金属探知機と同様に、PI (パルス誘導) タイプの金属探知機も常に改良されています。新しい回路ソリューションを使用した結果、これらのデバイスの感度をさらに高めることが可能になりました。

著者によると、提案された装置の設計は初心者のアマチュア無線家が繰り返すには非常に複雑です。さらに、このデバイスを調整する際に特定の問題が発生する可能性があります。インストール中のエラーやデバイスの誤った設定が高価な要素の故障につながる可能性があるという事実に特別な注意を払う必要があります。

概略図

提案された改良型パルス金属検出器の概略図は、送信ユニットと受信ユニットの XNUMX つの部分に分けることができます。残念ながら、本書の分量が限られているため、このデバイスの作成に使用された回路ソリューションのすべての機能を詳しく説明することはできません。したがって、最も重要なノードとカスケードのみの機能の基本を以下で検討します。

すでに述べたように、この金属探知機は、この章の前のセクションで説明した装置の改良版です。特定の変更は、パルス整形および同期モジュール、トランスミッター、および電圧コンバーターに影響を与えました。受信機のブロック方式にはさらに大きな変更が加えられています (図 3.18)。

送信機ユニットには、パルス整形および同期モジュール、送信機自体、および電圧コンバータが含まれます。

米。 3.18 先進パルス金属探知機の送信部の概略図（クリックで拡大）

設計全体の主なコンポーネントは、ATMEL の AT1C89 タイプ IC2051 マイクロプロセッサ上に作られたパルス整形および同期モジュールで、送信機のパルスの形成と、他のすべてのユニットの動作を制御する信号を提供します。マイコンIC1の動作周波数は水晶振動子(6MHz)により安定化されています。指定された動作周波数の値で、マイクロプロセッサは金属検出器のさまざまなステージに対して制御パルスの周期的なシーケンスを生成します。

最初に、トランジスタ T1 の制御パルスがマイクロプロセッサの IC14/6 の出力で生成され、その後、同様のパルスがトランジスタ T1 の IC15/7 の出力で生成されます。このプロセスがもう一度繰り返されます。これにより、電圧変換器が起動する。

さらに、IC1/8、IC1/7、IC1/6、IC1/17、IC1/16、IC1/18の結論に基づいて、送信機スタートパルスが形成されます。この場合、これらのパルスの持続時間は同じですが、後続の各パルスは前のパルスに比べて数サイクル遅れます。ピン IC1/8 で生成される最初のパルスの始まりは、ピン IC1/15 での 1 番目のパルスの中間と一致します。スイッチ PXNUMX を使用して、スタートパルスに対する送信機のスタートパルスの遅延時間を選択できます。

ピン IC1/18 でのパルスの終了から数サイクル後、アナライザアンプ用の短いストローブパルスがピン IC1/2 で生成されます。以前に検討した回路とは対照的に、このデバイスでは、数サイクル後に XNUMX 番目のストローブパルスがマイクロコントローラーの同じ出力で形成されます。

さらに、マイクロプロセッサ出力 IC1/12 および IC1/13 は、受信機ユニットのトランジスタ T31 および T32 用の制御信号を生成します。トランジスタ T31 の制御パルスの中央は、ピン IC1/2 の最初のゲートパルスの中央と一致しますが、ピン IC1/12 のパルス幅はほぼ 1 倍の長さです。この場合、表示されたパルスは負の極性を持ちます。ピン IC13/1 の制御パルス信号の開始は、マイクロコントローラーのピン IC14/1 の 2 番目のパルスの中間とほぼ一致しますが、ピン IC1/11 で生成される 35 番目のストローブパルスの終了から数サイクル後に終了します。。次に、ICXNUMX/XNUMX の出力で、受信機ユニットの音響信号回路のトランジスタ TXNUMX に対する制御信号が生成されます。短い一時停止の後、マイクロコントローラーの対応する出力で一連の制御パルスが再び形成されます。

IC5 によって事前に安定化された +2 V 電源電圧が、マイクロコントローラーの IC1/20 ピンに適用されます。

トランジスタ T6 ～ T8 とスタビライザ IC3 で構成される電圧コンバータは、受信部のカスケードに電力を供給するために必要な +5 V の電源電圧を生成します。トランジスタＴ７およびＴ８の制御信号はマイクロコントローラＩＣ１の対応するピンで生成され、この信号はトランジスタＴ６に組み込まれたレベルコンバータを介してトランジスタＴ８に供給される。さらに、生成された電源電圧は IC7 マイクロ回路によって安定化され、その出力から +8 V 電圧が受信段に供給されます。

送信機の出力段は強力なトランジスタ T1、T2、T3 で構成され、抵抗器 R1 ～ R1 のチェーンによって分路された共通負荷であるコイル L6 で動作します。出力段のトランジスタの動作はトランジスタ T4 によって制御されます。トランジスタＴ４のベースへの制御信号は、プロセッサＩＣ１の対応する出力からトランジスタＴ５を介して供給される。

前のセクションで検討した金属検出器と同様に、メモリに格納されたプログラムに従ってマイクロプロセッサ IC1 によって生成されたパルスは、スイッチを介してトランジスタ T5 の入力に供給され、さらにトランジスタ T4 を介して出力に供給されます。トランジスタT1〜T3で作成された送信機の段、そしてトランシーバーコイルL1に接続されます。金属物体が L1 コイルのカバーエリアに現れると、送信パルスによって開始される外部電磁場の影響下で、その表面に渦表面電流が励起されます。これらの電流の寿命は、コイル L1 が発するパルスの持続時間によって異なります。

表面電流は二次パルス信号の源であり、コイル L1 によって受信され、増幅されて分析回路に供給されます。自己誘導現象により、二次信号の持続時間は送信コイルが発するパルスの持続時間よりも長くなります。この場合、二次パルス信号の形状は、検出された金属物体の材質の特性に依存します。コイルＬ１によって送受信されるパルスのパラメータの差異に関する情報の処理により、金属物体の存在に関する表示ユニットのためのデータの形成が提供される。

受信機ユニット (図 3.19) には、XNUMX 段の入力信号増幅器、信号増幅器、アナライザー増幅器、アクティブ狭帯域フィルター、低周波フィルター、バイアス電圧生成回路、スイッチング回路、およびサウンドが含まれています。指示回路。

米。 3.19。先進パルス金属探知機の受信機ユニットの概略図（クリックで拡大）

金属物からの信号はコイル L1 で受信され、ダイオード D1、D2 で作られた保護回路を経て、オペアンプ IC31、IC32 で作られた入力 32 段容量性帰還アンプに供給されます。 IC32チップの出力(ピンIC6/33)から、増幅されたパルス信号がICXNUMXチップをベースとしたアナライザアンプに供給されます。

デバイスの動作中、アンプIC33は常にオフになり、ストローブパルスが対応する入力(出力IC33/8)に到着した場合にのみ電源電圧がアンプに印加されます。アンプの出力 (ピン IC33 / 5) での電源電圧の終了時、受信信号のレベルは数秒間維持され、ストロボパルスにさらされている間は固定されます。信号レベルの保持時間はコンデンサ C65 の静電容量によって決まります。したがって、受信したパルス信号はアンプの 33 つの入力 (ピン IC3/33) に印加され、パルス整形および同期モジュール (ピン IC8/64) からの対応するゲートパルスが 1 番目の入力 (ピン IC2/XNUMX) に供給されます。 ) コンデンサ CXNUMX を介して。

次に、選択された信号は、IC34a 素子で作成され、6 MHz の周波数に調整されたアクティブフィルターを通過します。回路図に示されているこのフィルタの個々の要素のパラメータを達成するには、抵抗とコンデンサの並列接続を使用することをお勧めします。したがって、たとえば、図に示されているコンデンサ C67 の静電容量の値 (0,044 μF) は、それぞれ 0,022 μF の容量を持つ 1 つのコンデンサを並列接続することによって実現されます。動作周波数が6MHz以外のQXNUMX水晶素子を使用する場合、個々のフィルタ素子の値を再計算する必要があることに注意してください。

信号はフィルター出力から同期検波器に供給され、その入力には IC1b 素子で作られたゲイン 34 の反転増幅器が取り付けられています。同時に、IC37マイクロ回路の対応する対の接点（端子IC37 / 1,2およびIC37 / 3,4）を閉じることによって、コンデンサC71を備えた積分回路に供給される負の信号が切り替わります。 IC37 マイクロ回路の制御信号は、トランジスタ T31 ～ T33 で行われるカスケードによって形成されます。

パルス信号は積分回路の出力から増幅段の入力に送られます。増幅段は IC35 チップ上に作成され、同時にローパスフィルターの機能を実行します。オペアンプの出力 (ピン IC35/6) での電圧降下により、トランジスタ T34 が開き、ヘッドフォン BF1 の共通線に接続されます。マイクロコントローラーの対応する出力 (ピン IC1 / 11) から T35 トランジスタへの制御信号が受信されると、音声周波数信号が電話機で聞こえます。抵抗 R77 は、BF1 ヘッドフォンに流れる電流を制限します。これを選択すると、音響信号の音量を調整できます。

ピン IC35/6 からの信号は、出力信号をリセットする役割を持つ別のオペアンプ (ピン IC36/2) の入力にも供給されます。その使用は、IC33超小型回路の出力で、サーチコイルL1のカバーエリアに金属物体がない場合でも時間変化する出力信号が形成されるため、結果として生じる信号の振幅が異なるという事実によって説明されます。ゼロから。抵抗 R86 の助けにより、最初のストローブパルスが到着した瞬間に、バイアス電圧が 32 番目の増幅段の入力 (ピン IC2/35) に印加されます。必要なバイアス電圧のレベルは、ピン IC6/73 の出力信号のレベルによって異なり、その形成は、IC78 チップ上の積分回路 C80、R36 ～ RXNUMX および増幅段によって行われます。

バイアス電圧生成回路は、IC37 チップ (IC37 / 9,8 ピン) の対応する接点が閉じている間のみ機能します。この時間セグメントの期間は 37 サイクルです。この場合、IC31 マイクロ回路の制御信号は、トランジスタ T33 ～ T2 で作られたカスケードから来ます。これにより、第１および第２のストローブパルスの到着時に生成される信号のレベルを確実に平準化することができる。 SXNUMXボタンを押すことで、ゼロ調整の時間を大幅に短縮できます。

詳細と構造

検討中のデバイスのすべての部品（サーチコイル L1、スイッチ P1、スイッチ S1、ボタン S2 を除く）は、両面フォイルでできた 3.20x95 mm の寸法のプリント基板（図 65）上に配置されています。 getinax または textolite。

マイクロ回路上の高度なパルス金属探知機
米。 3.20。高度なパルス金属探知機の PCB

このデバイスで使用される部品には特別な要件はありません。プリント基板上に問題なく配置できる小型のコンデンサと抵抗器を使用することをお勧めします。回路図に示されている個々の要素のパラメータを達成するには、抵抗とコンデンサの並列接続を使用する必要があることに注意してください(図3.21)。このような要素を収容するために、プリント回路基板上に追加のスペースが設けられています。

米。 3.21。高度なパルス金属探知機の要素の位置 (クリックして拡大)

タイプ LF356 (IC31、IC32) のチップは LM318 または NE5534 に置き換えることができますが、そのような置き換えの結果として、確立に問題が発生する可能性があります。アンプ IC35 として、図に示されている IL071 タイプのマイクロ回路に加えて、CA3140、OP27 または OP37 マイクロ回路を使用できます。チップタイプ R061 (IC36) は CA3140 に簡単に置き換えられます。

トランジスタＴ１〜Ｔ３としては、回路図に示したもの以外にも、ＢＵ２５０８、ＢＵ２５１５、ＳＴ２４０８タイプのトランジスタを使用することができる。

水晶振動子の動作周波数は 6 MHz である必要があります。 2 ～ 6 MHz の共振周波数を持つ他の水晶素子を使用することもできます。ただし、この場合、IC34a エレメント上に作成されたフィルターエレメントのパラメーターを再計算する必要があります。

マイクロプロセッサIC1の取り付けには専用ソケットを使用します。この場合、すべての取り付け作業が完了した後でのみ、マイコンがボードに取り付けられます。この条件は、個々の要素の値を選択する際のはんだ付けに関連する調整作業を実行するときにも遵守する必要があります。

コイル L1 の製造には特に注意を払う必要があり、そのインダクタンスは 500 μH である必要があります。このコイルの設計は、前のセクションで説明した金属探知機で使用される L1 サーチコイルの設計と実質的に変わりません。直径250 mmのリングの形で作られ、直径30 mm以下のワイヤーが0,5回巻かれています。太い線径を使用するとコイルに流れる電流は増加しますが、寄生渦電流の増加がさらに早くなり、感度の低下につながります。

パルスの放射中に隣接するターン間の電位差が 1 V に達するため、L20 コイルの製造にワニス付きワイヤを使用することはお勧めできません。コイルターンの巻線中に、たとえば、XNUMX 巻目と XNUMX 巻目などの近くの導体では、絶縁破壊が実質的に保証されます。

これにより、トランスミッタのトランジスタやその他の素子の故障が発生する可能性があります。したがって、L1 コイルの製造に使用されるワイヤは少なくとも PVC 絶縁されている必要があります。完成したコイルも十分に絶縁することをお勧めします。これを行うには、エポキシ樹脂またはさまざまな発泡充填材を使用できます。

コイル L1 は、XNUMX 芯の十分に絶縁されたワイヤを使用して基板に接続する必要があります。各コアの直径は、コイル自体を構成するワイヤの直径以上であってはなりません。同軸ケーブルには固有の静電容量が大きいため、同軸ケーブルの使用は推奨されません。

音声信号のソースは、インピーダンスが 8 ～ 32 オームのヘッドフォン、または同様のコイルインピーダンスを持つ小型スピーカーのいずれかです。

本金属探知機の消費電流は1mAを超えるため、B2の電源には容量200Ah程度の二次電池のご使用を推奨します。

要素が配置されたプリント回路基板と電源は、適切なハウジングに配置されます。ハウジングカバーには、スイッチP1、ヘッドフォン用コネクタBF1、コイルL1、スイッチS1、ボタンS2が設置されています。

確率

本装置の調整は、サーチコイル L1 から 1,5m 以上の距離で金属物を取り除いた状態で行ってください。

問題の金属探知機の設定と調整の特徴は、個々のブロックとカスケードが徐々に接続されることです。この場合、各接続作業（はんだ付け）は電源を切った状態で行ってください。

まず第一に、マイクロコントローラーがない場合に、IC1マイクロ回路のソケットの対応するピンでの電源電圧の存在と大きさを確認する必要があります。この電圧が正常な場合は、ボードにマイクロプロセッサを取り付け、周波数計またはオシロスコープを使用してピン IC1/4 および IC1/5 の信号をチェックする必要があります。これらのピンのパイロット信号の周波数は、使用する水晶発振子の動作周波数と一致する必要があります。

電圧コンバータのトランジスタを接続した後（無負荷）、消費電流は約 50 mA 増加します。無負荷時のコンデンサ C10 の両端の電圧は 20 V を超えてはなりません。

次に、送信段を接続する必要があります。トランジスタ T1 ～ T4 の動作モードは同じである必要があり、抵抗 R13 ～ R16 の値を選択することによって設定されます。

抵抗器 R1 ～ R1 によって分路されたコイル L3 の抵抗は、約 500 オームでなければなりません。この場合、この回路の接触不良は送信機の出力トランジスタの不良を伴うため、コイルと抵抗器の接続部分は適切にはんだ付けする必要があります。

送信段の動作を確認するには、L1 コイルを耳に近づけて金属探知機の電源をオンにします。約 1 秒後 (マイクロコントローラーのリセット後)、低音信号が聞こえます。この信号の発生は、コイルの個々の巻きの微振動によるものです。この場合、持続時間約 3 ～ 10 μs の変調されていない尖ったパルスがトランジスタ T20 ～ T1 のコレクタに形成され、その形状はオシロスコープを使用して制御できます。抵抗器 R3 ～ R1 の抵抗値が増加すると、出力パルスの振幅が増加し、その持続時間が減少します。コイルL50のシャントの抵抗値を選択する場合、エンジンと通電トラックの接触が短期間でも違反すると、トランスミッターの出力トランジスタが損傷する可能性があるため、可変抵抗器を使用することはお勧めできません。したがって、シャントの値を XNUMX オームずつ徐々に変更することが望ましいです。部品を交換する場合は、必ず装置の電源を切ってください。

次に、受信部分の構成に進むことができます。すべての部品が良好な状態にあり、取り付けが正しく行われている場合、金属検出器をオンにした後 (開始パルスの終了後約 20 μs)、オシロスコープを使用して、出力で指数関数的に増加する信号を観察できます。 IC31 マイクロ回路 (ピン IC31 / 6) が一定レベルの信号に変わります。この信号のエッジ歪みは、抵抗 R1、R2、R3 を選択し、コイル L1 を分路することによって除去されます。

その後、IC32 チップ (ピン IC32 / 6) の出力における信号の形状と振幅をチェックする必要があります。この信号の最大振幅は、抵抗 R64 の値を選択することによって設定されます。 IC32 / 2 ピンのバイアス電圧を確立するプロセスでは、別個の分圧器から供給できます。この分圧器は、たとえば IC5 / 50 ピンの間に接続された公称値 32 ～ 4,7 kOhm の可変抵抗器として使用できます。 86ピン。ポテンショメータのスライダは抵抗器 RXNUMX に接続されています。

IC33 の出力 (ピン IC33/5) では方形信号が観察され、その振幅は一時的に接続されたポテンショメータによって制御されます。次に、要素 IC34a と IC34b の出力の信号をチェックする必要があります。この場合、IC34 / 6,7 の出力は正しい正弦波を持っている必要があります。その結果、コンデンサ C71 に定電圧が形成され、IC35 マイクロ回路の入力に供給されます。

チューニングプロセス中に、一時的に接続されたポテンショメータのエンジンの位置の変化に対するデバイスの反応を観察できます。その後、代わりにディバイダR84、R85をはんだ付けする必要があります。

仕事の手続き

金属物体検出器を使用する手順は、前のセクションで説明した金属検出器を使用する場合と大きく変わりません。

この金属検出器を実際に使用する前に、スイッチ P1 を切り替えて最小パルス遅延を設定します。作業中にサーチコイルL1の作用領域に金属物体がある場合、音響信号がヘッドフォンに現れます。パルス遅延を長くした動作モードに切り替えると、土壌の磁気特性の影響が排除されるだけでなく、あらゆる種類の異物（錆びた釘、タバコの箱のホイル、ゴミなど）に対するデバイスの反応も排除されます。など）とその後の無駄な検索。

著者：アダメンコM.V.

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