Пропонований металошукач індукційного типу універсальний. Його датчик простий за конструкцією і може бути виготовлений діаметром 0,1-1 (м). Приблизно пропорційно діаметру буде змінюватися розмір виявляються об'єктів і відстань, на якій металошукач ці об'єкти виявляє. Для стандартного датчика діаметром 180 (мм) глибина виявлення становить:

– Монета Ж 25 (мм) – 0,15 (м)

– Пістолет – 0,4 (м)

– Каска – 0, б (м)

Прилад забезпечений найпростішим дискримінатора, який дозволяє відфільтрувати сигнали від невеликих залізних предметів, якщо останні не представляють інтересу для пошуку.

 

  Структурна схема

Структурна схема зображена на рис.25. Вона складається з декількох функціональних блоків. Кварцовий генератор є джерелом прямокутних імпульсів, з яких надалі формується сигнал, що надходить на котушку датчика. Сигнал генератора ділиться по частоті на 4 за допомогою кільцевого лічильника на тригерах. По кільцевій схемі лічильник виконаний для того, щоб на його виходах можна було сформувати два сигнали Ф1 та Ф2,

 

 

Рис. 25. Структурна схема індукційного металошукача.

зрушені один щодо одного по фазі на 90 °, що необхідно для побудови схеми дискримінатора. Прямокутний сигнал (меандр) подається на вхід першого інтегратора, на виході якого виходить кусково-лінійне Пікоподібне напруга. Другий інтегратор робить з «пили» сигнал, дуже близько наближається за формою до синусоидальному і складається з напівхвиль параболічної форми. Цей сигнал стабільної амплітуди надходить на підсилювач потужності, який представляє собою перетворювач «напруга-струм», навантажений на котушку датчика. Напруга датчика вже не є стабільним по амплітуді, так як залежить від сигналу, відбитого від металевих об'єктів. Абсолютна величина цієї нестабільності досить мала. Щоб збільшити її, тобто виділити корисний сигнал, у схемі компенсації відбувається віднімання вихідної напруги другого інтегратора з напруги на котушці датчика.

Увага!

Тут свідомо опускаються багато деталей побудови підсилювача потужності, схеми компенсації і способу включення котушки датчика, що роблять це опис більш простим для розуміння принципу роботи приладу, хоча і не цілком коректним. Докладніше – див. опис принципової схеми.

Зі схеми компенсації корисний сигнал надходить на приймальний підсилювач, де відбувається його посилення по напрузі. Синхронні детектори перетворять корисний сигнал у повільно мінливі напруги, величина і полярність яких залежить від зсуву відбитого сигналу по фазі щодо сигналу напруги котушки датчика.

Іншими словами, вихідні сигнали синхронних детекторів є не чим іншим, як компонентами ортогонального розкладання вектора корисного відбитого сигналу по базису векторів основних гармонік опорних сигналів Ф1 і Ф2.

У приймальний підсилювач неминуче проникає частина некорисного сигналу, не скомпенсованого схемою компенсації з огляду на її неідеальності. На виходах синхронних детекторів ця частина сигналу перетвориться в постійні складові. Фільтри високої частоти (ФВЧ) відсікають даремні постійні складові, пропускаючи і підсилюючи тільки змінюються компоненти сигналів, пов'язані з рухом датчика щодо металевих предметів. Дискримінатор видає керуючий сигнал для запуску формувача звукового сигналу тільки при певному поєднанні полярностей сигналів на виході фільтрів, що виключає спрацьовування звукової індикації від дрібних залізних предметів, іржі та деяких мінералів.

 

 

  Принципова схема

Принципова схема розробленого автором індукційного металошукача зображена на рис.26 – вхідна частина, рис.27 – синхронні детектори та фільтри, рис.28 – дискримінатор і формувач звукового сигналу, рис.29 – схема зовнішніх з'єднань.

Кварцовий генератор (рис.26)

Зібрано на інвертора D1.1-D1.3. Частота генератора стабілізована кварцовим або п'єзокерамічним резонатором Q з резонансною частотою 2 ^ 15 (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, надійно працює при напрузі живлення 3-15 (В), не містить підлаштування елементів і надто високоомних резисторів. Вихідна частота генератора – близько 32 (кГц).

 

 

Рис.26. Принципова електрична схема індукційного металошукача. Вхідна частина.

Кільцевій лічильник (рис.26)

Кільцевій лічильник виконує дві функції. По-перше, він ділить частоту генератора на 4, до частоти 8 (кГц) (рекомендації щодо вибору частоти – див гол. 1.1). По-друге, він формує два опорних сигналу для синхронних детекторів, зсунутих один щодо одного на 90 ° по фазі.

Кільцевій лічильник представляє собою два D-тригера D2.1 і D2.2, замкнуті в кільце з інверсією сигналу по кільцю. Тактовий сигнал – спільний для обох тригерів. Будь вихідний сигнал першого тригера D2.1 має зсув по фазі на плюс-мінус чверть періоду (тобто на 90 °) щодо будь-якого вихідного сигналу другого тригера D2.2.

Інтегратори (рис.26)

Зібрані на ОУ D3.1 і D3.2. Їх постійні часу визначаються ланцюжками R3C6 і R5C9. Режим по постійному струму підтримується резисторами R4, R6. Розділові конденсатори З 5, З 8 перешкоджають накопиченню статичної похибки, яка може вивести інтегратори з режиму через великого посилення по постійному струму. Номінали елементів, що входять до схеми інтеграторів вибрані так, щоб сумарний зсув фази обох інтеграторів на робочій частоті 8 (кГц) становив рівно 180 ° з урахуванням як основних RC-ланцюжків, так і з урахуванням впливу розділових ланцюгів і кінцевого швидкодії ОУ при обраній корекції. Ланцюги корекції ОУ інтеграторів – стандартні і складаються з конденсаторів ємністю 33 (пФ).

Підсилювач потужності (рис.26)

Зібраний на ОУ D4.2 з паралельною ООС по напрузі. Термокомпенсірованний токозадающій елемент, що складається з резисторів R71, R72 і терморезистора R73 (див. рис.29), включений між виходом другого інтегратора і інвертується входом ОУ D4.2. Навантаження підсилювача, що є одночасно елементом ООС, являє собою коливальний контур, що складається з котушки датчика L1 і конденсатора С61.

У нумерації резисторів і конденсаторів по схема рис.26 – рис.29 пропущені деякі позиції, що пов'язано з численними модифікаціями схем індукційного металошукача і не є помилкою.

Коливальний контур настроєний в резонанс на чверть частоти кварцового резонатора задаючого генератора, тобто на частоту що подається на нього сигналу. Модуль повного опору коливального контуру на резонансній частоті становить близько 4 (к0м). Параметри котушки датчика L1 такі: число витків – 100, марка дроту – ПЕЛ, ПЕВ, ПЕЛШО 0,3-0,5, середній діаметр і діаметр оправки для намотування – 165 (мм). Котушка має екран з алюмінієвої фольги, підключений до загальної шини приладу. Для запобігання утворення короткозамкнутого витка, від екрану вільна невелика частина, близько 1 (см), довжини окружності обмотки котушки.

Елементи датчика R71 – R73 і L1, С61 підібрані так, щоб: по-перше, були рівні за величиною напруги на вході і на виході підсилювача потужності. Для цього необхідно, щоб опір ланцюжка R71 – R73 дорівнювало модулю повного опору коливального контуру L1, С61 на резонансній частоті 8 (кГц), а точніше, 8192 (Гц). Цей модуль опору становить, як уже говорилося, близько 4 (к0м) і його значення повинно уточнюватися для конкретного датчика. По-друге, температурний коефіцієнт опору (ТКС) ланцюжка R71 – R73 повинен збігатися за величиною і за знаком з ТКС модуля повного опору коливального контуру L1, С61 на резонансній частоті, що досягається: грубо – шляхом вибору номіналу терморезистора R73, а точно – вибором співвідношення R71 – R72 і досягається експериментально при налаштуванні.

Температурна нестабільність коливального контуру пов'язана з нестабільністю, в першу чергу, омічного опору мідного дроту котушки. При зростанні температури цей опір зростає, що збільшує втрати в контурі і зменшує його добротність. Тому модуль його повного опору на резонансній частоті зменшується.

Резистор R18 не грає у схемі принципової ролі і служить для підтримки ОУ D4.2 в режимі при відключеній відповідної частини роз'єму XI. Ланцюг корекції ОУ D4.2 – стандартна і складається з конденсатора ємністю 33 (пФ).

Схема компенсації (рис.26)

Її основні елементи, які реалізують віднімання вихідної напруги другого інтегратора з напруги котушки датчика – це резистори R15, R17 з однаковою величиною опору. З їх загальної точки з'єднання корисний сигнал надходить на приймальний підсилювач. Додаткові елементи, завдяки яким досягається ручне налаштування і підстроювання приладу – це потенціометри R74, R75 (рис. 29). З цих потенціометрів можна зняти сигнал, який лежить в діапазоні [-1, +1] від сигналу напруги датчика (або практично рівного йому по амплітуді вихідного сигналу другого інтегратора). Регулюванням зазначених потенціометрів досягається мінімальний сигнал на вході приймального підсилювача і нульові сигнали на виходах синхронних детекторів.

Через резистор R16 частина вихідного сигналу одного потенціометра підмішується в схему компенсації безпосередньо, а за допомогою елементів R1 1-R14, С14-С16 – зі зрушенням в 90 ° з виходу іншого потенціометра.

ОУ D4.1 є основою компенсатора вищих гармонік схеми компенсації. На ньому реалізований подвійний інтегратор з інверсією, постійні часу якого задаються звичайної для інтегратора ланцюжком паралельної ООС по напрузі R7C12, а також конденсатором З 16 з усіма навколишніми його резисторами. На вхід подвійного інтегратора надходить меандр з частотою 8 (кГц) з виходу елемента D1.5. Через резистори R8, R10 з меандру віднімається основна гармоніка. Сумарний опір цих резисторів складає близько 10 (кОм) і підбирається експериментально при настройці по мінімуму сигналу на виході ОП D4.1. Решта на виході подвійного інтегратора вищі гармоніки надходять на схему компенсації в тій же амплітуді, що і вищі гармоніки, що проникають через основні інтегратори. Співвідношення фаз таке, що на вході приймального підсилювача вищі гармоніки із зазначених двох джерел практично компенсуються.

Увага!

Вихід підсилювача потужності не є додатковим джерелом вищих гармонік, так як висока добротність коливального контуру (близько 30) забезпечує високу ступінь придушення вищих гармонік.

Вищі гармоніки, в першому наближенні, не впливають на нормальну роботу приладу, навіть якщо вони багаторазово перевершують корисний відбитий сигнал. Тим не менше, їх необхідно зменшувати, щоб приймальний підсилювач не потрапив в режим обмеження, коли верхівки "коктейля" з вищих гармонік на його виході починають обрізатися зважаючи кінцевого значення напруг живлення ОП. Такий перехід підсилювача в нелінійний режим різко знижує коефіцієнт підсилення по корисному сигналу.

Елементи D1.4 і D1.5 запобігають утворенню кільця паразитної ПОС через резистор R7 зважаючи ненульового значення вихідного опору виходу тригера D2.1. Спроба підключити резистор R7 безпосередньо до тригера призводить до самозбудження схеми компенсації на низькій частоті.

Ланцюг корекції ОУ D4.2 – стандартна і складається з конденсатора ємністю 33 (пФ).

Приймальний підсилювач (рис.26)

Приймальний підсилювач – Двохкаскадний. Його перший каскад виконаний на ОП D5.1 з паралельною ООС по напрузі. Коефіцієнт посилення по корисному сигналу становить: Кu = – R19/R17 » -5. Другий каскад виконаний на ОП D5.2 з послідовною ООС по напрузі. Коефіцієнт посилення Ku = R21/R22 +1 = 6. Постійні часу розділових ланцюжків обрані такими, щоб на робочій частоті створюваний ними набіг по фазі компенсував запізнювання сигналу, обумовлене кінцевим швидкодією ОУ. Ланцюги корекції ОУ D5.1 і D5.2 – стандартні і складаються з конденсаторів ємністю 33 (пФ).

Синхронні детектори (рис.27)

Синхронні детектори однотипні і мають ідентичні схеми, тому буде розглянуто тільки один з них, верхній за схемою. Синхронний детектор складається з балансного модулятора, що інтегрує ланцюжки та підсилювача постійних сигналів (УПС). Балансний модулятор реалізований на основі інтегральної збирання аналогових ключів D6.1 на польових транзисторах. З частотою 8 (кГц) аналогові ключі по черзі замикають на загальну шину виходи "трикутника" інтегруючої ланцюжка, що складається з резисторів R23 і R24 і конденсатора С23. Сигнал опорної частоти надходить на балансний модулятор з одного з виходів кільцевого лічильника. Цей сигнал є керуючим для аналогових ключів.

Сигнал на вхід "трикутника" інтегруючої ланцюжка надходить через розділовий конденсатор С21 з виходу приймального підсилювача.

 

 

Рис.27. Принципова електрична схема індукційного металошукача. Синхронні детектори та фільтри.

Постійна часу інтегруючої ланцюжка t »R23 · C23 = R24 · C23. Більш докладно про схему синхронного детектора можна прочитати у розділі 4.1.

ОУ УПС D7 має стандартну ланцюг корекції, що складається з конденсатора ємністю 33 (пФ) для ОП типу К140УД1408. У разі використання ОУ типу К140УД12 (з внутрішнього корекцією) конденсатор корекції не потрібен, проте необхідний додатковий токозадающій резистор R68 (показаний пунктиром).

Фільтри (рис.27)

Фільтри однотипні і мають ідентичні схеми, тому буде розглянуто тільки один з них, верхній за схемою.

Як вже зазначалося вище, за типом фільтр відноситься до ФВЧ. Крім того, на нього у схемі покладена роль подальшого посилення випрямленої синхронним детектором сигналу. При реалізації подібного роду фільтрів в металошукача виникає специфічна проблема. Суть її полягає в наступному. Корисні сигнали, що надходять з виходів синхронних детекторів є порівняно повільними, тому нижня гранична частота ФВЧ зазвичай лежить в діапазоні 2-10 (Гц). Динамічний діапазон сигналів по амплітуді дуже великий, він може досягати 60 (дБ) на вході фільтра. Це означає, що фільтр дуже часто буде працювати в нелінійному режимі перевантаження по амплітуді. Вихід з нелінійного режиму після впливу таких великих перевантажень по амплітуді для лінійного ФВЧ може затягнутися на десятки секунд (як і час готовності приладу після включення живлення), що робить звичайні схеми фільтрів непридатними для практики.

Для вирішення зазначеної проблеми йдуть на всілякі хитрощі. Найбільш часто фільтр розбивають на три-чотири каскаду з порівняно невеликим посиленням і більш-менш рівномірним розподілом времязадающіх ланцюжків по каскадам. Таке рішення прискорює вихід пристрою в нормальний режим після перевантажень. Однак, для його реалізації потрібна велика кількість ОУ.

У запропонованій схемі ФВЧ – однокаскадний. Для зменшення наслідків перевантажень він виконаний нелінійним. Його постійна часу для великих сигналів приблизно в 60 разів менше, ніж для сигналів малої амплітуди.

Схемотехнічних, ФВЧ являє собою підсилювач напруги на ОУ D9.1, охоплений ланцюгом ООС через інтегратор на ОУ D10. Для малого сигналу, частотні та часові властивості ФВЧ визначаються дільником з резістоов R45, R47, постійної часу інтегратора R43ЧC35 і коефіцієнтом підсилення підсилювача напруги на ОУ D9.1. При збільшенні вихідної напруги ФВЧ, після певного порогу починає позначатися вплив ланцюжка діодів VD1-VD4, які і є основним джерелом нелінійності. Зазначена ланцюжок на великих сигналах шунтується резистор R45, збільшуючи тим самим глибину ООС в ФВЧ і зменшуючи постійну часу ФВЧ.

Коефіцієнт посилення по корисному сигналу становить близько 200. Для придушення високочастотних перешкод у схемі фільтра є конденсатор С31. ОУ підсилювача напруги D9.1 має стандартну ланцюг корекції, що складається з конденсатора ємністю 33 (пФ). ОУ інтегратора D10 має ланцюг корекції, що складається з конденсатора ємністю 33 (пФ) для ОП типу К140УД1408. У разі використання ОУ типу К140УД12 (З внутрішньої корекцією) конденсатор корекції не потрібен, проте необхідний додатковий токозадающій резистор R70 (показаний пунктиром).

 

 

Рис.28. Принципова електрична схема індукційного металошукача. Дискримінатор і формувач звукового сигналу

Дискримінатор (рис.28)

Дискримінатор складається з компараторів на ОУ D12.1, D12.2 і одновібраторов на тригерах D13.1, D13.2. При проходженні датчика металошукача над металевим предметом на виходах фільтрів виникає корисний сигнал у вигляді двох напівхвиль напруги протилежної полярності, які йдуть одна за одною одночасно на кожному виході. Для невеликих предметів із заліза сигнали на виходах обох фільтрів будуть синфазних: вихідна напруга "хитнеться" спочатку в мінус, а потім в плюс і повернеться до нуля. Для неферомагнітних металів і великих залізних предметів відгук буде інший: вихідна напруга тільки першого (верхнього за схемою фільтра) "хитнеться" спочатку в мінус, а потім в плюс. Реакція ж на виході другого фільтра буде протилежною: вихідна напруга "хитнеться" спочатку в плюс, а потім в мінус.

Таким чином, визначивши, напівхвиля який полярності на виході першого фільтра була першою за часом, можна визначити, до якого типу відноситься виявлений предмет. Процес прийняття рішення дискримінатором протікає так. Компаратори D12.1, D12.2 формують на своїх виходах прямокутні імпульси позитивної полярності при перевищенні (по модулю) амплітудою негативній напівхвилі вихідного напруги фільтра деякого порога. Цей поріг задається подільником R51, R52 і становить близько -1 (В).

Вихідні імпульси компараторів запускають один з одновібраторов на тригерах D13.1, D13.2. Одночасно одновібратора запуститися не можуть – перехресна ОС через діоди VD9, VD11 блокує запуск одновібратора, якщо інший вже запущений. Тривалість імпульсів на виходах одновібраторов становить близько 0,5 (с) і це у декілька разів більше, ніж тривалість обох сплесків корисного сигналу при швидкому русі датчика. Тому другим напівхвилі вихідних сигналів фільтрів вже не впливають на рішення дискримінатора – за першими сплесків корисного сигналу він запускає один з одновібраторов, інший при цьому блокується і такий стан фіксується на час 0,5 (с).

Щоб виключити спрацьовування компараторів від перешкод, а також, щоб затримати за часом вихідний сигнал першого фільтра щодо другого, на входах компараторів встановлені інтегруючі ланцюжка R49, С41 і R50, С42. Постійна часу ланцюжка R49, С41 в кілька разів більше, тому при одночасному прихід двох негативних напівхвиль з виходів фільтра першого спрацює компаратор D12.2 і запуститься одновібратор на тригері D13.2, видавши керуючий сигнал ("феро" – залізо).

Формувач звукового сигналу (рис.28)

Формувач звукового сигналу складається з двох ідентичних керованих генераторів звукової частоти на тригерах Шмідта з логікою "І" на вході D14.1, D14.2. Запускається кожен генератор безпосередньо вихідним сигналом відповідного одновібратора дискримінатора. Верхній генератор спрацьовує по команді "метал" з виходу верхнього одновібратора – неферомагнітних мішень або великий залізний предмет – і видає тональну посилку з частотою близько 2 (кГц). Нижній генератор спрацьовує по команді "феро" з виходу нижнього одновібратора – невеликі залізні предмети – і видає тональну посилку з частотою близько 500 (Гц). Тривалості посилок рівні тривалості імпульсів на виходах одновібраторов. Елементом D14.3 здійснюється змішування сигналів двох тональних генераторів. Елемент D14.4, включений за схемою інвертора, призначений для реалізації мостовий схеми включення пьезоізлучателя. Резистор R63 обмежує сплески споживаного мікросхемою D14 струму, викликані ємнісним характером імпедансу пьезоізлучателя. Це є профілактичним заходом щодо зменшення впливу наведень з харчування та запобігання можливого самозбудження підсилювального тракту.

Схема зовнішніх з'єднань (рис.29)

На схемі зовнішніх з'єднань показані елементи, не встановлені на друкованій платі приладу і підключаються до неї за допомогою електричних роз'ємів. До таких елементів відносяться:

– Потенціометри налаштування і балансування R74, R75,

– Датчик з кабелем та роз'ємом підключення,

– Захисні діоди з харчування VD13, VD14,

– Перемикач режимів роботи S 1.1-S 1.6,

– Вимірювальні прилади W1, W2,

– Батареї живлення,

– Пьезоізлучатель Y1.

Призначення перерахованих елементів, в основному, очевидно і не вимагає додаткових пояснень.

 

    Типи деталей і конструкція

Типи використовуваних мікросхем наведені в таблиці.

 

 

Рис. 29. Принципова електрична схема індукційного металошукача. Схема зовнішніх з'єднань.

Таблиця.

Позначення по рис.26-рис.28

Тип

Функціональне призначення

   D1

К561ЛН2

6 інверторів

   D2,D13

К561ТМ2

2 D-тригера

   D3-D5,D9,D12

К157УД2

здвоєний ОУ

   D6

КР590КН4

аналогові ключі

   D7-D8,D10-D11

КР140УД1408

точний ОУ

   D14

К561ТЛ1

4 ел-та 2И-НЕ з тригерами Шмідта на вході

Замість мікросхем серії К561 можливе використання мікросхем серії К 1561. Можна спробувати застосувати деякі мікросхеми серії К176.

Здвоєні операційні підсилювачі (ОП) серії До 15 7 можна замінити будь-якими подібними по параметрам одиночними ОУ загального призначення (з відповідними змінами в цоколевке і ланцюгах корекції), хоча застосування здвоєних ОУ зручніше (зростає щільність монтажу). Бажано, щоб застосовувані типи ОУ не поступалися рекомендованим типів за швидкодією. Особливо це стосується мікросхем D3-D5.

ОУ синхронних детекторів та інтеграторів ФВЧ за своїми параметрами повинні наближатися до прецизійним ОУ. Крім типу, зазначеного в таблиці, підійдуть К140УД14, 140УД14. Можливе застосування мікропотужні ОУ К140УД12, 140УД12, КР140УД1208 у відповідній схемі включення.

До застосовуваним у схемі металошукача резисторам не пред'являється особливих вимог. Вони лише повинні мати міцну і мініатюрну конструкцію і бути зручні для монтажу. З метою отримання максимальної термостабільності слід испльзовать в схемах датчика, інтеграторів і в схемі компенсації тільки металлопленочні резистори. Номінал розсіюваною потужності 0,125 – 0,25 (Вт).

Терморезистор R73 повинен мати негативний ТКС і номінал близько 4,7 (кОм). Рекомендований тип – КМТ-17Вт.

Потенціометри компенсації R74, R75 бажані 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. Один – для грубої підстроювання, номіналом 10 (кОм), включений у відповідності зі схемою. Інший – для точного підстроювання, включений за схемою реостата в розрив одного з крайніх висновків основного потенціометра, номіналом 0,5-1 (кОм).

Конденсатори С45, С49, С51 – електролітичні. Рекомендовані типи – К50-29, К50-35, К53-1, К53-4 та ін малогабаритні. Решта конденсатори, за винятком конденсаторів коливального контуру датчика, – керамічні типу К 10-7 (до номіналу 68 (нФ)) та металлопленочні типу К73-17 (номінали вище 68 (нФ)).

Конденсатор контуру С61 – особливий. До нього пред'являються високі вимоги по точності і термостабільності. Конденсатор С61 складається з декількох (5 … 10 шт.) Конденсаторів, включених в паралель. Налаштування контуру в резонанс здійснюється підбором кількості конденсаторів і їх номіналу. Рекомендований тип конденсаторів К10-43. Їх група з термостабільності – МП0 (тобто приблизно нульовою ТКЕ). Можливе застосування прецизійних конденсаторів та інших типів, наприклад, К71-7. Зрештою, можна спробувати використовувати старовинні термостабільні слюдяні конденсатори з срібними обкладками типу КСВ або будь-які полістирольні конденсатори.

Діоди VD1-VD12 типу КД521, КД522 або аналогічні кремнієві малопотужні. Як діодів VD1-VD4 і VD5-VD8 зручно також використовувати інтегральні мостові діодні зборки типу КД906. Висновки (+) І (-) діодним збирання спаюються разом, а висновками (~) вона включається в схему замість чотирьох діодів. Захисні діоди VD13-VD14 типів КД226, КД243, КД247 та інші малогабаритні на струм від 1 (А).

Мікроамперметри – будь-якого типу на струм 100 (мкА) з нулем посередині шкали. Зручні малогабаритні мікроамперметра, наприклад, типу М4247.

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

Перемикач режимів роботи – будь-якого типу малогабаритний поворотний галетним або кулачковий на 5 положень і 6 напрямів. Батареї живлення – типу 3R12 – з міжнародного позначення, "Квадратні" – на нашу радянсько-російському.

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).

Роз'єми XI-ХЗ – стандартні, під пайку на друковану плату, з кроком висновків 2,5 (мм). Подібні роз'єми широко застосовуються в даний час в телевізорах і іншої побутової техніки. Роз'єм Х4 повинен бути зовнішнього виконання, з металевими зовнішніми деталями, бажано – з посеребрянимі або позолоченими контактами і герметичним виходом на кабель. Рекомендований тип – PC 7 або PC 10 з різьбовим або байонетним з'єднанням.

Друкована плата

Конструкція приладу може бути достатньо довільної. При її розробці варто врахувати рекомендації, викладені нижче в параграфах, присвячених датчиків і конструкції корпусів. Основна частина елементів принципової схеми приладу розміщується на друкованій платі.

Друкована плата електронної частини металошукача може бути виготовлена ??на основі готової універсальної макетної друкованої плати під DIP корпусу мікросхем з кроком 2,5 мм. У цьому випадку монтаж ведуть одножильний мідним луженьм проводом в ізоляції. Така конструкція зручна для експериментальної роботи.

Більш акуратна і надійна конструкція друкованої плати виходить при розводці доріжок традиційним способом під задану схему. Зважаючи на її складності, в цьому випадку друкована плата повинна бути з двостороннім металізацією. Використана автором топологія друкованих доріжок наведена на рис.30 – сторона друкованої плати з боку установки деталей і на ріс.31 – сторона друкованої плати з боку пайки. Малюнок топології наведено не в натуральну величину.

 

 

Рис.30. Топологія доріжок друкованої плати. Вид з боку деталей.

 

 

Мал.31. Топологія доріжок друкованої плати. Вид з боку пайки.

Для зручності виготовлення фотошаблона автор наводить розмір друкованої плати із зовнішньої рамці малюнка – 130 х 144 (мм).

Особливості друкованої плати:

– Перемички, без яких розводка друкованої плати виявилася неможливою,

– Загальну шину, яка виконана у вигляді сітчастого малюнка максимально можливої ??площі на платі,

– Розташування отворів по вузлах сітки з кроком 2,5 (мм), – мінімальна відстань між центром отвору і середньої лінією провідника або між середніми лініями двох сусідніх провідників – 1,77 (мм),

– Напрям прокладки окремих провідників друкованої плати за кутом кратно 45 °.

Щільність провідників на друкованій платі не занадто висока, що дозволяє виготовити малюнок під травлення в домашніх умовах. Для цього рекомендується використовувати тонкий скляний рейсфедер або голку шприца з спиляні вістрям у комплекті з пластиковою трубкою.

Малюнок зазвичай виконують нітрофарбою, Кузбас-лаком, цапон-лаком і т.п. барвниками, разбавленньмі відповідними розчинниками до зручної концентрації. Звичайний реагент для травлення стандартної друкованої плати з склотекстоліти з мідною фольгою 35-50 (мкм) – водний розчин хлорного заліза FeCl3.

Розташування деталей на друкованій платі наведено на рис.32 (мікросхеми, роз'єми, діоди і кварцовий резонатор), на рис.33 (резистори і перемички) і на рис.34 (конденсатори).

 

 

Рис. 32. Розташування елементів на друкованій платі. Роз'єми, мікросхеми, діоди і кварцовий резонатор.

 

 

Рис.33. Розташування елементів на друкованій платі. Резистори.

 

 

Рис.34. Розташування елементів на друкованій платі. Конденсатори.

 

    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 батареї або Двуполярность джерело живлення, суворо дотримуючись полярності. Включити прилад і виміряти споживаний струм. Він повинен становити близько 40 (мА) по кожній шині живлення. Різке відхилення виміряних значень від зазначеної величини свідчить про неправильність монтажу або несправності мікросхем.

3. Переконатися в наявності на виході генератора чистого меандру з частотою близько 32 (кГц).

4. Переконатися в наявності на виходах тригерів D2 меандру з частотою близько 8 (кГц).

5. Переконатися в наявності на вихід першого інтегратора пилоподібного напруги, а на виході другого – практично синусоїдальної з нульовими постійними складовими.

Увага! Подальшу настройку приладу необхідно проводити при відсутності поблизу котушки датчика металошукача великих металевих предметів, включаючи вимірювальні прилади! В іншому випадку, при переміщенні цих предметів або при переміщенні датчика щодо них прилад засмутиться, а при наявності великих металевих предметів поблизу датчика настройка буде неможливою.

6. Переконатися в працездатності підсилювача потужності по наявності на його виході синусоїдальної напруги частотою 8 (кГц) з нульовою постійною складовою (при підключеному датчику).

7. Налаштувати коливальний контур датчика в резонанс шляхом підбору кількості конденсаторів коливального контуру і їх номіналу. Контроль налаштування проводиться грубо – за максимальною амплітуді напруги контуру, точно – щодо зрушення фази в 180 ° між вхідним і вихідним напругами підсилювача потужності.

8. Замінити резисторний елемент датчика (резистори R71-R73) постійним резистором. Підібрати його величину так, щоб вхідний і вихідний напруги підсилювача потужності були рівні по амплітуді.

9. Переконатися в працездатності приймального підсилювача, для чого перевірити режим його ОУ та проходження сигналу.

10. Переконатися в працездатності схеми компенсації вищих гармонік. Потенціометрами налаштування R74, R75 домогтися мінімуму сигналу основної гармоніки на виході приймального підсилювача. Підбором додаткового резистора R8 домогтися мінімуму вищих гармонік на виході приймального підсилювача. При цьому відбудеться деякий розбаланс за основною гармоніці. Усунути його налаштуванням потенціометра R74, R75 і знову домогтися мінімуму вищих гармонік з допомогою підбору резистора R8 і так кілька разів.

11. Переконатися в працездатності синхронних детекторів. При правильно налаштованому датчику і при правильно налаштованої схемою компенсації вихідні напруги синхронних детекторів встановлюються в нуль приблизно при середньому положенні движків потенціометрів R74, R75. Якщо цього не відбувається (за відсутності помилок в монтажі), необхідно точніше налаштувати контур датчика і точніше підібрати його резисторний елемент. Критерієм правильної остаточної налаштування датчика є балансування приладу (тобто установка нуля на виходах синхронних детекторів) в середньому положенні движків потенціометрів R74, R75. При настройці слід переконатися, що поблизу стану балансування на рух рукоятки потенціометра R74 реагує тільки прилад W1, а на рух рукоятки потенціометра R75 – тільки прилад W2. Якщо рух рукоятки одного з потенціометрів поблизу стану балансування відбивається на двох приладах одночасно, то з такою ситуацією слід або змиритися (при цьому дещо важче буде балансувати прилад при кожному включенні), або точніше підібрати номінал конденсатора С 14.

12. Переконатися в працездатності фільтрів. Постійна складова на їх виходах не повинна перевищувати 100 (мВ). Якщо це не так, слід змінити конденсатори С35, С37 (навіть серед плівкових типу К73-17 попадаються браковані з опором витоку одиниці – десятки мегом). Може знадобитися і заміна ОУ D10 і D11. Переконатися у реагуванні фільтрів на корисний сигнал, який можна зімітувати невеликими поворотами рукояток R74, R75. Спостерігати вихідний сигнал фільтрів зручно безпосередньо за допомогою стрілочних приладів W1 і W2. Переконатися в поверненні вихідної напруги фільтрів в нуль після впливу сигналів великої амплітуди (не пізніше, ніж через 2 (сек)).

Може так статися, що несприятлива обстановка електромагнітна утруднить налагодження приладу. У цьому випадку стрілки мікроамперметрів будуть здійснювати хаотичні або періодичні коливання при настроєному стані приладу в положеннях перемикача S1 ??"Режим 1" і "Режим 2". Описане небажане явище пояснюється наведеннями вищих гармонік мережі 50 (Гц) на котушку датчика. На значному видаленні від проводів з електрикою коливання стрілок при налаштованому приладі повинні бути відсутніми.

13. Переконатися в працездатності дискримінатора та схеми формування звукового сигналу.

14. Провести термічну компенсацію датчика. Для цього спочатку необхідно налаштувати і відбалансувати металошукач з резистором замість резистивного елемента датчика. Потім – трохи нагріти датчик на батареї опалення або охолодити в холодильнику. Відзначити, в якому становищі движка потенціометра "метал" R74 буде досягатися балансування приладу при зміненій температурі датчика. Заміряти опір резистора, тимчасово встановленого в датчику, і замінити його на ланцюжок R71-R73 з термісторів і з резисторами таких номіналів, щоб сумарний опір ланцюжка R71-R73 було б одно опору замінного постійного резистора. Витримати датчик при кімнатній температурі не менше півгодини і повторити експеримент із зміною температури. Порівняти отримані результати. Якщо точка балансування за шкалою движка R74 зміщується в один бік, значить, датчик недокомпенсірован і необхідно посилити вплив термісторів, послабивши шунтуючі дію резистора R72, для чого збільшити його опір, а опір додаткового резистора R71 – зменшити (для збереження величини опору всього ланцюжка постійної). Якщо ж точка балансування для цих двох експериментів зміщується в різні боки, то датчик перекомпенсірован і необхідно ослабити вплив термісторів, посиливши шунтуючі дію резистора R72, для чого зменшити його опір, а опір додаткового резистора R71 – збільшити (для збереження величини опору всього ланцюжка постійної). Провівши кілька експериментів з підбором резисторів R71 і R72, необхідно домогтися, щоб налаштований і відбалансувати прилад не втрачав здатності для балансування при зміні температури на 40 ° С (охолодження від кімнатної температури до температури морозильної камери холодильника).

При наявності несправностей і відхилень у поведінці окремих вузлів схеми металошукача слід діяти за загальноприйнятою методикою:

– Перевірити відсутність самозбудження ОУ,

– Перевірити режими ОУ по постійному струму,

– Сигнали і логічні рівні входів / виходів цифрових мікросхем, і т.д. і т.п.


Можливі модифікації

Схема запропонованого індукційного металошукача не так проста, як схеми металошукачів, розглянутих раніше. Тому, з одного боку, актуально її спрощення для початківців радіоаматорів. Навіть при використанні друкованої плати, наведеної в книзі, доцільно розпочати складання металошукача з спрощеного варіанту, і тільки після його налагодження додати інші елементи.

З іншого боку, запропонована схема індукційного металошукача може послужити зручною "відправною точкою" для більш досвідчених експериментаторів. Тому можливо її подальше удосконалення і ускладнення. Обидві можливості докладніше розглянуті нижче.

Спрощення. Налаштування приладу

Спростити настройку (балансування) приладу можна до межі, зменшивши коефіцієнт посилення приймального підсилювача. При цьому вже не будуть потрібні дорогі і дефіцитні потенціометри з ноніусной підстроюванням, а цілком вистачить звичайних. Може не потрібно і температурна компенсація датчика. Все залежить від конкретного значення коефіцієнта підсилення. Для початку можна спробувати обрати його рівним одиниці, поклавши R19 = 20 (к0м), а каскад на ОУ D5.2 – видалити (або видалити тільки С20, R22, a R20, R21 – замінити перемичками). Звичайно, при цьому зменшиться дальність виявлення приладу – приблизно в півтора рази. Якщо не експлуатувати прилад у широкому діапазоні температур, то від настроювальних потенціометрів R74, R75 можна взагалі відмовитися. У цьому випадку вони віддаляються зі схеми разом з резисторами R13, R16, а балансування виконується один раз при виготовленні і наладці приладу. Балансування досягається настройкою коливального контуру і вибором співвідношення опорів резисторів R15 і R17 в невеликих межах близько одиниці.

Компенсація вищих гармонік

Точніше, мова піде про її відсутність. Спрощення в цьому випадку досягається за рахунок видалення каскаду на ОУ D4.1. Видаляються також резистори R7-R10 і конденсатори З 11-С 13. Висновок резистора R11, який підключається раніше до виходу ОУ, слід підключити до загальної шини. При використанні описаної вище друкованої плати з парними ОУ можливий інший варіант: видаляються резистори R7-R10 і конденсатори C11-C12, ОУ D4.1 залишається у схемі. З такими змінами максимально можливий коефіцієнт посилення приймального підсилювача буде приблизно в два рази менше через збільшення рівня рівня вищих гармонік. Погіршення потенційної дальності виявлення буде незначно, близько 10%.

Якщо передбачається прийняти спрощення, описані параграфом вище, то можна видалити всі елементи, пов'язані з схемою компенсації вищих гармонік. Крім уже зазначених, можна видалити також наступні елементи: R11, R12, R14, C14 і C16.

Перемикач режимів роботи

При відсутності настроювальних потенціометрів (див. вище) можна спростити ланцюга, пов'язані з перемикачем режимів роботи. Сам перемикач замінюється тумблером харчування на два напрями (Два контакти на замикання), а решта ланцюга підключаються так, як вони підключаються в режимах 1 або 2, за вибором.

Розширення можливостей. Регулятор порога дискримінатора

Як вже зазначалося, поріг спрацьовування компараторів дискримінатора D12.1 і D12.2 визначається дільником з резисторів R51, R52 і є величиною постійною. Можна ввести в конструкцію приладу регулятор "Чутливість", який являє собою змінний резистор, шунтувальний резистор дільника напруги R52. Його рекомендована величина – 51 (кОм). Для його підключення в конструкції друкованої плати приладу передбачено виведення з резистора R52 на контакт 5 роз'єму ХЗ. При максимальну величину опору зовнішнього змінного резистора чутливість приладу мінімальна. Зменшуючи опір цього резистора, будемо збільшувати чутливість приладу.

Необхідно відзначити, що збільшення чутливості пов'язано зі збільшенням ризику помилкових спрацьовувань приладу і тому не може бути рекомендовано для всіх випадків. Крім того, бажано включити послідовно з зазначеним змінним резистором резистор постійної величини номіналом 5,1 (кОм). Цей захід не дасть можливості порогах спрацювання компараторів дискримінатора пробліжаться до нулю.

Фільтри

Для поліпшення селективності по окремим типам виявляються мішеней можлива наступна модифікація: на входи фільтрів подаються не сигнали з виходів синхронних детекторів, а лінійні комбінації вихідних сигналів синхронних детекторів. Схемотехнічних це реалізується наступним чином: між виходами синхронних детекторів включаються два підстроєних потенціометра, а сигнал на входи фільтрів надходить з рушіїв цих потенціометрів. Регулюванням потенціометрів домагаються, щоб у режимі 1 прилад видавав звуковий сигнал тільки на об'єкти з певного металу. Зазвичай, до металів "Підвищеного інтересу" відносять мідь, срібло, золото та їх сплави. Відсікти ж за допомогою дискримінатора прагнуть, в першу чергу, залізо, іржу, алюміній і природні мінерали.

Налаштування дискримінатора металошукача в даному випадку є справою копіткою, які потребують проведення маси експериментів. Конкретні рекомендації привести складно, так як налаштування залежить як від характеру матеріалу передбачуваних об'єктів для пошуку, так і від точності настройки коливального контуру датчика. Додатково можна лише рекомендувати поекспериментувати з підключенням одного з висновків підлаштування потенціометрів до виходу синхронного детектора через інвертор (підсилювач з коефіцієнтом посилення мінус 1).