Пропонований металошукач призначений для "близького" пошуку предметів. Він зібраний за найпростішою схемою. Прилад компактний і нескладний у виготовленні. Глибина виявлення становить:

– Монета 0,25 мм ………… 5 (см)

– Пістолет ……………….. 10 (см)

– Каска …………………….. 20 (см)

Структурна схема

 

Структурна схема зображена на рис.21. Вона складається з декількох функціональних блоків. Кварцовий генератор є джерелом прямокутних імпульсів стабільної частоти. До вимірювального генератору підключений коливальний контур, до складу якого входить датчик – котушка індуктивності. Вихідні сигнали обох генераторів надходять на входи синхронного детектора, який на своєму виході формує сигнал різницевої частоти. Цей сигнал має приблизно пилкоподібну форму. Для зручності подальшої обробки сигнал синхронного детектора перетвориться за допомогою тригера Шмідта в сигнал прямокутної форми. Пристрій індикації призначено для формування звукового сигналу різницевої частоти за допомогою пьезоізлучателя і для візуального відображення величини цієї частоти за допомогою світлодіодного індикатора.

 

 

Рис.21. Структурна схема металошукача на биття

 

Принципова схема

Принципова схема розробленого автором металошукача на биття зображена на рис.22.

Кварцовий генератор

Має схему, аналогічну до схеми генератора металошукача за принципом "передача-прийом", але реалізовану на інвертора D1.1-D1.3. Частота генератора стабілізована кварцовим або п'єзокерамічним резонатором Q з резонансною частотою 2 ^ l5 (Гц) »32 (кГц) (" часовий кварц "). Ланцюжок R1C2 перешкоджає порушенню генератора на вищих гармоніках. Через резистор R2 замикається ланцюг ООС, через резонатор Q – ланцюг ПОС. Генератор відрізняється простотою, малим споживаним струмом від джерела живлення, надійно працює при напрузі живлення 3-15 (В),

 

 

Рис.22. Принципова електрична схема металошукача на биття.

не містить підлаштування елементів і надто високоомних резисторів. Вихідна частота генератора близько 32 (кГц). Додатковий лічильний тригер D2.1 необхідний для формування сигналу з шпаруватістю, в точності рівний 2, що потрібно для подальшої схеми синхронного детектора.

Вимірювальний генератор

Безпосередньо генератор реалізований на диференціальному каскаді на транзисторах VT1, VT2. Ланцюг ПОС реалізована гальванічно, що спрощує схему. Навантаженням диференціального каскаду є коливальний контур L1C1. Частота генерації залежить від резонансної частоти коливального контуру і, в деякій мірі, від режимного струму диференціального каскаду. Цей струм задається резисторами R3 і R3 '. Підстроювання частоти вимірювального генератора при настройці приладу здійснюється грубо – підбором ємності С1 і плавно – регулюванням потенціометром R3 '.

Для перетворення низьковольтного вихідного сигналу диференціального каскаду до стандартних логічним рівням цифрових КМОП – мікросхем служить каскад по схемі із загальним емітером на транзисторі VT3. Формувач з тригером Шмідта на вході на елементі D3.1 забезпечує круті фронти імпульсів для нормальної роботи наступного рахункового тригера.

Додатковий лічильний тригер D2.2 необхідний для формування сигналу з шпаруватістю, в точності рівний 2, що потрібно для подальшої схеми синхронного детектора.

Синхронний детектор

Складається з перемножителя, реалізованого на елементі D4.1 "Що виключає Або" і інтегруючого ланцюжка R6C4. Його вихідний сигнал близький за формою до пилоподібного, а частота цього сигналу дорівнює різниці частот кварцового генератора і вимірювального генератора.

Тригер Шмідта

Реалізовано на елементі D3.2 і формує прямокутні імпульси з пилоподібного напруги синхронного детектора.

Пристрій індикації

Є просто потужним буферним інвертором, реалізованих на трьох залишилися інверторах D1.4-D1.6, включених в паралель для збільшення навантажувальної здатності. Навантаженням пристрою індикації є світлодіод і пьезоізлучатель. Типи деталей і конструкція

Типи використовуваних мікросхем наведені в таблиці.

Таблиця.

Позначення по рис.22

Тип

Функціональне призначення

   D1

К561ЛН2

6 інверторів

   D2

К561ТМ2

2 D-тригера

   D3

К561ТЛ1

4 ел-та 2И-НЕ з триг. Шмідта на входах

   D4

К561ЛП2

4 ел-та "Що виключає або"

 

Замість мікросхем серії К561 можливе використання мікросхем серії К1561. Можна спробувати застосувати деякі мікросхеми серії К 176. Входи невикористовуваних елементів цифрових мікросхем не можна залишати непідключеними! Їх слід з'єднати або із загальною шиною, або з шиною живлення.

Транзистори VT1, VT2 є елементами інтегральної транзисторної збірки типу К159НТ1 з будь-якою буквою. Їх можна замінити на дискретні транзистори з npn провідністю типів КТ315, КТ312 і т.п. Транзистор VT3 – типу КТ361 з будь-якою буквою або аналогічного типу з pnp провідністю.

До пріменяемьш у схемі металошукача резисторам не пред'являється особливих вимог. Вони лише повинні мати міцну конструкцію і бути зручні для монтажу. Номінал розсіюваною потужності 0,125-0,25 (Вт).

Потенціометр компенсації R3 'бажаний багатооборотні типу СП5-44 або з ноніусной підстроюванням типу СП5-35. Можна обійтися і звичайними потенціометра будь-яких типів. У цьому випадку бажано їх використовувати два послідовно включених. Один – для грубої підстроювання, номіналом 1 (кОм). Інший – для точного підстроювання, номіналом 100 (Ом).

Котушка індуктивності L1 має внутрішній діаметр намотки 1б0 (мм), містить 100 витків дроту. Тип дроту – ПЕЛ, ПЕВ, ПЕЛШО і т.п. Діаметр дроту 0,2 – 0,5 (мм). Про конструкцію котушки див. окремий параграф нижче.

Конденсатор С3 – електролітичний. Рекомендовані типи – К50-29, К50-35, К53-1, К53-4 та ін малогабаритні. Решта конденсатори, за винятком конденсатора коливального контуру котушки вимірювального генератора, – керамічні типу К10-7 і т.п. Конденсатор контуру С1 особливий. До нього пред'являються високі вимоги по точності і термостабільності. Конденсатор складається з декількох (5 … 10 шт.) окремих конденсаторів, включених в паралель. Груба настройка контуру на частоту кварцового генератора здійснюється підбором кількості конденсаторів і їх номіналу. Рекомендований тип конденсаторів До 10-43. Їх група з термостабільності – МП0 (тобто приблизно нульовою ТКЕ). Можливе застосування прецизійних конденсаторів та інших типів, наприклад, К71-7. Зрештою, можна спробувати використовувати термостабільні слюдяні конденсатори з срібними обкладинками типу КСВ або полістирольні конденсатори.

Світлодіод VD1 типу АЛ336 або аналогічний з високим ККД. Підійде і будь-який інший світлодіод видимого діапазону випромінювання.

Кварцовий резонатор Q – будь-який малогабаритний часовий кварц (аналогічні використовуються також в портативних електронних іграх).

Пьезоізлучатель Y1 – може бути типу 3П1 … 3П18. Гарні результати виходять при використанні пьезоізлучателей імпортних телефонів (ідуть у величезних кількостях "у відвал" при виготовленні телефонів з визначником номера).

Конструкція приладу може бути достатньо довільної. При її розробці бажано врахувати рекомендації, викладені нижче в параграфах, присвячених датчиків і конструкції корпусів.

Друкована плата електронної частини металошукача може бути виготовлена ??будь-яким з традиційних способів, зручно також використовувати готові макетні друковані плати під DIP корпусу мікросхем (Крок 2,5 мм).

 

Налагодження приладу

Налагодження приладу рекомендується проводити в наступній послідовності.

1. Перевірити правильність монтажу за принциповою схемою. Переконатися у відсутності коротких замикань між сусідніми провідниками друкованої плати, сусідніми ніжками мікросхем і т.п.

2. Підключити батарею або джерело живлення 9 (В), строго дотримуючись полярності. Включити прилад і виміряти споживаний струм. Він повинен становити близько 10 (мА). Різке відхилення від зазначеної величини свідчить про неправильність монтажу або несправності мікросхем.

3. Переконатися в наявності на виході кварцового генератора і на виході елемента D3.1 чистого меандру з частотою близько 32 (кГц).

4. Переконатися в наявності на виходах тригерів D2.1 і D2.2 сигналів з частотами близько 16 (кГц).

5. Переконатися в наявності на вході елемента D3.2 пилоподібного напруги різницевої частоти, а на його виході-прямокутних імпульсів.

6. Переконатися в працездатності пристрою індикації – візуально і на слух.

 

Можливі модифікації

Схема приладу гранично проста і тому мова може йти тільки про подальші вдосконалення. До них можна віднести:

1. Додавання додаткового світлодіодного індикатора логарифмічного частоти.

2. Використання трансформаторного датчика в вимірювальному генераторі.

Розглянемо ці модифікації докладніше.

Логарифмічний індикатор частоти

Являє собою вдосконалений світлодіодний індикатор. Його шкала складається з восьми окремих світлодіодів. При досягненні вимірюваної частотою деякого порогу, на шкалі загоряється відповідний світлодіод, інші сім – не горять. Особливість індикатора полягає в тому, що пороги спрацьовування по частоті для сусідніх світлодіодів відрізняються один від одного в два рази. Іншими словами, шкала індикатора має логарифмічну градуювання, що дуже зручно для такого приладу, як металошукач на биття. Принципова схема логарифмічного індикатора частоти наведена на рис.23. Незважаючи на те, що схема цього індикатора була розроблена

 

 

Рис.23. Принципова електрична схема логарифмічного індикатора.

автором самостійно, вона не претендує на оригінальність, так як проведений патентний пошук показав, що подібні схеми відомі. Тим не менш, як сама схема індикатора, так і її реалізація на вітчизняній елементній базі представляє, на думку автора, певний інтерес.

Працює логарифмічний індикатор наступним чином. На вхід індикатора надходить сигнал з виходу тригера Шмідта схеми металошукача на биття (див. рис.22). Цей сигнал є вхідним для двійкових лічильників D5.1-D5.2 (нумерація продовжує нумерацію за схемою рис.22). Зазначені лічильники періодично обнуляються по сигналу високого рівня допоміжного генератора на тригері Шмідта D3.3 з частотою близько 10 (Гц). По передньому фронту сигналу допоміжного генератора відбувається також запис стану лічильників у паралельні чотирирозрядний регістри D6 і D7. Таким чином, на виходах регістрів D6 і D7 присутній цифровий код частоти сигналу биття. Перетворити цей код в логарифмічну шкалу можливо досить просто (і в цьому "родзинка" цієї схеми), якщо запалювання відповідного світлодіода шкали поставити у відповідність появи одиниці в певному розряді коду частоти при всіх нулях в більш старших розрядах коду.

Очевидно, що це завдання має виконувати комбінаційна схема. Найпростіша реалізація такої схеми є періодично повторювані ланки з елементів "АБО". У практичній схемі використані елементи "АБО-НЕ" D8, D9 спільно з потужними буферними інверторами D10, D11. На виході схеми виходить логічний сигнал управління світлодіодами шкали у вигляді "хвилі одиниць". З точки зору економії батареї живлення, звичайно, більш доцільно організувати шкалу не у вигляді світиться стовпчика світлодіодів (до 8 шт. одночасно), а у вигляді переміщається точки з одного світиться світлодіода. Для цього світлодіоди індикаторної лінійки включені між виходами комбінаційної схеми.

Для дуже низьких значень частоти, як і раніше, більш придатна індикація у вигляді миготливого світлодіода. У запропонованій схемі він суміщений з початком світлодіодним шкали і гасне, як тільки загориться наступний її сегмент. Вибором елементів R8, С5 можна змінювати значення частоти допоміжного генератора, змінюючи таким чином межа шкали по частоті.

Типи деталей і конструкція

Типи використовуваних мікросхем наведені в таблиці.

Таблиця.

Позначення по рис.23

Тип

Функціональне призначення

   D3

К561ТЛ1

4 ел-та 2И-НЕ з триг. Шмідта на входах

   D5

К561ІЕ10

2 двійковий. лічильника

   D6,D7

К561ІР9

4-х розрядний регістр

   D8,D9

К561ЛЕ5

4 ел-та 2ІЛІ-НЕ

   D10,D11

К561ЛН2

6 інверторів

Замість мікросхем серії К561 можливе використання мікросхем серії К 1561. Можна спробувати застосувати деякі мікросхеми серії К 176. Розведення ланцюгів харчування та нумерація висновків для мікросхем D8-D11 для простоти умовно не показана.

Світлодіоди VD2-VD9 типу АЛЗЗб або аналогічні з високим ККД. Їх токозадающій резистори R9-R17 мають однаковий номінал 1,0 … 5,1 (к0м). Чим менше опір зазначених резисторів, тим яскравіше будуть світитися світлодіоди. Однак, при цьому може не вистачити навантажувальної здатності мікросхем К561ЛН2. В даному випадку рекомендується використовувати паралельно включені вихідні інвертори у схемі індикатора. Найзручніше організувати це паралельне включення шляхом простого припаювання додаткових однотипних корпусів мікросхем (до 4-х штук) поверх кожної зі встановлених в схему мікросхем К561ЛН2.

Подальші вдосконалення з індикатором частоти

Запропонований вище логарифмічний індикатор частоти є по суті деякої різновидом цифрового частотоміра. Перспективний напрямок удосконалення металошукачів на биття, підказане одним з читачів книги, пов'язані з використанням частотоміра для реєстрації невеликих відхилень частоти. Якщо йти в цьому напрямку, то загальна схема запропонованого металошукача на биттях зазнає істотних змін. Відпадає потреба у формуванні різницевого сигналу двох частот. Достатньо від схеми (рис. 22) залишити тільки вимірювальний генератор, вихідний сигнал якого подавати на вхід логарифмічного індикатора. В даному випадку індикатор оцінює значення молодших розрядів двійкового коду частоти вимірювального генератора.

Важлива особливість даного способу побудови металошукача на биття полягає у відсутності опорного генератора, частота якого близька до частоти вимірювального генератора. Іншими словами, значно меншою мірою проявляється явище паразитної Автосінхронізація. Отже, можна підвищити чутливість приладу.

Певним незручністю металошукачів на биття є постійна необхідність підстроювання вимірювального генератора внаслідок зміни параметрів датчика і впливу інших дестабілізуючих чинників. Наступним прогресивним удосконаленням розглянутих приладів може бути застосування системи повільної автоматичного підстроювання частоти (АПЧ). АПЧ повинна бути настільки повільною, щоб швидкі зміни частоти вимірювального генератора, викликані рухом датчика щодо мішені, приводили до появи корисного сигналу на індикаторі. Повільний же температурний дрейф частоти даною системою АПЧ повинен повністю компенсуватися. Опис принципів побудови систем АПЧ виходить за рамки цієї книги, тому це питання пропонується зацікавленому читачеві для самостійного вивчення.

Трансформаторний датчик

Ідея трансформаторного датчика для металошукачів проста і витончена. Вона відома давно і виникла через прагнення спростити конструкцію котушки датчика металошукача. Звичайним недоліком типового датчика металошукача будь-якої конструкції є велике (понад 100) кількість витків котушки. Внаслідок цього виходить недостатня жорсткість конструкції датчика, що потребує вжиття спеціальних заходів типу додаткових каркасів, заливки епоксидної смолою і т.д. Крім того, паразитна ємність такої котушки велика і для усунення помилкових сигналів через ємнісний зв'язку котушки (котушок) з землею і тілом оператора обов'язково екранування обмоток.

Шлях усунення перелічених недоліків простий і очевидний – необхідно використовувати котушку, що складається з мінімальної кількості витків – з одного витка! Природно, "в лоб" таке рішення не проходить, так як незначна індуктивність одного витка зажадала б гігантських за величиною ємності конденсаторів коливальних контурів, генераторів сигналів з величезним вихідним струмом і спеціальних хитрувань із забезпечення високої добротності. І тут саме час згадати про існування пристрою, призначеного для узгодження імпедансів, для перетворення змінних сигналів великої напруги з малим струмом в сигнали малого напруги з великим струмом і навпаки – про трансформаторі.

Справді, візьмемо трансформатор з коефіцієнтом трансформації близько сотні і підключимо його знижуючу обмотку до одного витка, що є датчиком металошукача, а підвищує обмотку – В схему металошукача замість котушки індуктивності. Конструктивно один виток такого трансформаторного датчика може бути виконаний різними способами. Наприклад, він може являти собою кільце з мідного або алюмінієвого одножильного проводу перетином 6-10 мм ^ 2 для міді і 10-35 мм ^ 2 для алюмінію. Зручні для використання внутрішні жили силових кабелів. Можна для зменшення маси і збільшення жорсткості виготовити виток з металевої трубки. Можливе виготовлення витка з фольги шляхом наклейки на листовий матеріал і навіть зі звичайного фольгованого склотекстоліти. У будь-якому зручному місці виток заземлюється шляхом підключення до загальної шини приладу, чим забезпечується компенсація паразитних ємнісних зв'язків. Вплив цих зв'язків при даній конструкції датчика на кілька порядків менше зважаючи меншого значення модуля повного опору одного витка.

Трансформаторний датчик дозволяє реалізувати складну конструкцію компактного металошукача на биття. Її ескіз зображений на рис.24.

 

 

Рис.24. Конструкція металошукача на биття зі складаним рамкою датчика.

Трансформатор датчика виконаний на тороїдальним сердечнику, встановленому безпосередньо на платі металошукача, розміщеної в пластмасовому корпусі. Знижуюча обмотка трансформатора і виток датчика конструктивно представляють собою єдине ціле у вигляді прямокутної рамки з мідного ізольованого одножильного проводу перерізом 6 мм ^ 2, замкнутого за допомогою пайки. Зазначена рамка має можливість обертатися. У складеному положенні вона розташована по периметру корпусу приладу і не займає зайвого місця. У робочому положенні вона розгортається на 180 °. Для того, щоб рамка фіксувалася у встановленому положенні, використовуються ущільнюючі втулки з гуми.

Перетин провідника, з якого виготовлений виток трансформаторного датчика, повинно бути не менше, ніж сумарна перетин всіх витків, що становлять звичайну котушку датчика металошукача. Це необхідно не тільки для додання конструкції необхідної міцності і жорсткості, а й для того, щоб отримати не надто низьку добротність у коливального контуру з таким трансформаторним аналогом котушки індуктивності (до речі, при використанні такого витка в якості випромінюючої котушки, струм в ньому може досягати десятків ампер!). З тієї ж причини, необхідний відповідний вибір перерізу проводу понижувальної обмотки трансформатора. Він може мати менший перетин, ніж перетин провідника витка, але його омічний опір має бути не більше омічного опору витка.

Для зменшення втрат за рахунок омічного опору необхідно дуже ретельно виконати з'єднання витка із заниженою обмоткою трансформатора. Рекомендований спосіб з'єднання – паяння (Для мідного витка) і зварювання в середовищі інертного газу (для алюмінієвого).

До трансформатора ставляться такі вимоги. По-перше, він повинен працювати з малими втратами на необхідній частоті. На практиці це означає, що його сердечник повинен бути зроблений з низькочастотного фериту. По-друге, його обмотки не повинні вносити помітного внеску в імпеданс датчика. На практиці це означає, що індуктивність понижувальної обмотки повинна бути помітно більше індуктивності витка. Для тороїдальних феритових сердечників з магнітною проникністю m = 2000 і діаметром більше 30 (мм) це справедливо навіть для одного витка понижувальної обмотки. По-третє, коефіцієнт трансформації повинен бути таким, щоб індуктивність підвищує обмотки при підключеному до понижувальної обмотці витку датчика була б приблизно такою ж, як і у звичайної котушки типового датчика.

На жаль, переваги трансформаторного датчика помітно перевершують його недоліки тільки для металошукачів на биття. Для більш чутливих приладів такий датчик непридатний через досить високої чутливості до механічних деформацій, що приводить до помилкових сигналів, які з'являтимуться при русі. Ось чому трансформаторний датчик розглядається тільки у розділі, присвяченому металошукача на биття.