Як і металошукачі інших типів, металодетектори типу PI (Puls Induction), постійно удосконалюються. В результаті застосування нових схемотехнічних рішень вдається досягти ще більш високої чутливості цих приладів.
На думку автора, конструкція запропонованого приладу досить складна для повторення початківцями радіоаматорами. До того ж певні складності можуть виникнути при регулювання цього пристрою. Необхідно особливо звернути увагу на те, що помилки при монтажі і некоректна настройка приладу можуть привести до виходу з ладу дорогих елементів.
Принципова схема
Принципову схему запропонованого вдосконаленого імпульсного металошукача можна умовно розділити на дві частини, а саме: на блок передавача і блок приймача. На жаль, обмежений обсяг даної книги не дозволяє детально зупинитися на всіх особливостях схемотехнічних рішень, використаних при створенні цього приладу. Тому далі будуть розглянуті основи функціонування лише найбільш важливих вузлів і каскадів.
Як вже згадувалося, даний металодетектор є вдосконаленим варіантом приладу, розглянутого в попередньому розділі цієї глави. Певні зміни торкнулися модуля формування імпульсів і синхронізації передавача і перетворювача напруги. Схема блоку приймача зазнала більш значні зміни (рис. 3.18).
До складу блоку передавача входять модуль формування імпульсів і синхронізації, сам передавач, а також перетворювач напруги.
Рис. 3.18. Принципова схема блоку передавача вдосконаленого імпульсного металошукача (натисніть для збільшення)
Головною складовою частиною всієї конструкції є модуль формування імпульсів і синхронізації, виконаний на мікропроцесорі IC1 типу АТ89С2051 фірми ATMEL і забезпечує формування імпульсів для передавача, а також сигналів, керують роботою всіх інших блоків. Робоча частота мікроконтролера IC1 стабілізована кварцовим резонатором (6 МГц). При вказаному значенні робочої частоти мікропроцесор формує періодичну послідовність керуючих імпульсів для різних каскадів металодетектора.
Спочатку на виведенні IC1/14 мікропроцесора формується керуючий імпульс для транзистора Т6, після закінчення якого на виведенні IC1/15 формується аналогічний імпульс для транзистора Т7. Потім цей процес повторюється ще раз. В результаті відбувається запуск перетворювача напруги.
Далі, послідовно на висновках IC1/8, IC1/7, IC1/6, IC1/17, IC1/16 і IC1/18 формуються імпульси запуску передавача. При цьому зазначені імпульси мають однакову тривалість, але кожний наступний імпульс затриманий щодо попереднього на кілька тактів. Початок першого імпульсу, сформованого на виведення IC1/8, збігається з серединою другого імпульсу на виводі IC1/15. За допомогою перемикача Р1 можна вибрати час затримки імпульсу запуску передавача по відношенню до стартового імпульсу.
Через кілька тактів після закінчення імпульсу на виводі IC1/18 короткий стробирующий імпульс для підсилювача-аналізатора формується на виведенні IC1/2. В відміну від раніше розглянутої схеми в даному приладі на цьому ж виведення мікроконтролера через кілька тактів формується другий стробирующий імпульс.
Крім цього на висновках IC1/12 і IC1/13 мікропроцесора формуються керуючі сигнали для транзисторів Т31 і Т32 блоку приймача. Середина керуючого імпульсу для транзистора Т31 збігається з серединою першого стробуючого імпульсу на виводі IC1/2, однак тривалість імпульсу на виводі IC1/12 майже в два рази більше. При цьому зазначений імпульс має негативну полярність. Початок керуючого імпульсного сигналу на виводі IC1/13 майже збігається з серединою другого імпульсу на виводі IC1/14 мікроконтролера, закінчується він через кілька тактів після закінчення другого стробуючого імпульсу, який формується на виведенні IC1/2. Потім на виведенні IC1/11 формується керуючий сигнал для транзистора Т35 схеми акустичної сигналізації блоку приймача. Після невеликої паузи послідовність керуючих імпульсів на відповідних виходах мікроконтролера формується знову.
Напруга живлення +5 В, попередньо стабілізовану мікросхемою IC2, подається на висновок IC1/20 мікроконтролера.
Перетворювач напруги, виконаний на транзисторах Т6-Т8 і стабілізаторі IC3, забезпечує формування живлячої напруги +5 В, необхідного для живлення каскадів приймальної частини. Керуючі сигнали для транзисторів Т7 і Т8 формуються на відповідних виводах мікроконтролера IC1, при цьому на транзистор Т8 цей сигнал подається через перетворювач рівня, зібраний на транзисторі Т6. Далі сформований живляча напруга стабілізується мікросхемою IC3, з виходу якого напруга +5 В надходить на каскади приймача.
Вихідні каскади передавача виконані на потужних транзисторах Т1, Т2 і Т3, працюють на загальне навантаження, в якості якої виступає котушка L1, шунтированная ланцюжком резисторів R1-R6. Роботою транзисторів вихідного каскаду керує транзистор Т4. Керуючий сигнал на базу транзистора Т4 подається з відповідного виходу процесора IC1 через транзистор Т5.
Як і в розглянутому в попередньому розділі металодетекторі, імпульс, формується мікропроцесором IC1 відповідно до закладеної в його пам'яті програмою, через перемикач подається на вхід транзистора Т5 і далі, через транзистор Т4, на вихідні каскади передавача, виконані на транзисторах Т1-Т3, а потім - на приемопередающую котушку L1. При появі в зоні дії котушки L1 металевого предмета на його поверхні під впливом зовнішнього електромагнітного поля, ініційованого імпульсом передавача, збуджуються вихрові поверхневі струми. Час існування цих струмів залежить від тривалості імпульсу, що випромінюється котушкою L1.
Поверхневі струми є джерелом вторинного імпульсного сигналу, який приймається котушкою L1, підсилюється і подається на схему аналізу. Завдяки явища самоіндукції тривалість вторинного сигналу буде більше, ніж тривалість випроміненого передавальної котушкою імпульсу. При цьому форма вторинного імпульсного сигналу залежить від властивостей матеріалу, з якого виготовлений виявлений металевий предмет. Обробка інформації про відмінності параметрів імпульсів, які випромінюють і прийнятих котушкою L1, забезпечує формування даних для блоку індикації про наявність металевого предмета.
До складу блоку приймача (рис. 3.19) входять двухкаскадный підсилювач вхідного сигналу, підсилювачі зразкового сигналу, підсилювач-аналізатор, активний вузькосмуговий фільтр, фільтр низької частоти, схема формування напруги зміщення, схеми комутації та схема звукової індикації.
Рис. 3.19. Принципова схема блоку приймача вдосконаленого імпульсного металошукача (натисніть для збільшення)
Сигнал від металевого предмета приймається котушкою L1 і через схему захисту, виконану на діодах D1 і D2, подається на вхідний підсилювач з двухкаскадный ємнісний зворотним зв'язком, виконаний на операційних підсилювачах IC31 і IC32. З виходу мікросхеми IC32 (висновок IC32/6) посилений імпульсний сигнал подається на підсилювач-аналізатор, виконаний на мікросхемі IC33.
В процесі роботи приладу підсилювач IC33 постійно вимкнений, а напруга живлення подається на нього лише при вступі на відповідний вхід (висновок IC33/8) стробуючих імпульсів. По закінченні подачі напруги живлення на виході підсилювача (висновок IC33/5) протягом декількох секунд зберігається рівень прийнятого сигналу, зафіксований під час впливу стробуючих імпульсів. Час збереження рівня сигналу залежить від ємності конденсатора С65. Таким чином, на один вхід підсилювача (висновок IC33/3) подається прийнятий імпульсний сигнал, а на другий вхід (висновок IC33/8) через конденсатори С64 надходить відповідний стробирующий імпульс від модуля формування імпульсів і синхронізації (висновок IC1/2).
Далі виділений сигнал проходить через активний фільтр, виконаний на елементі IC34a і налаштований на частоту 6 МГц. Для досягнення зазначених на принциповій схемою параметрів окремих елементів даного фільтра рекомендується використовувати паралельне включення резисторів і конденсаторів. Так, наприклад, значення зазначеної на схемі ємності конденсатора C67 (0,044 мкФ) досягається паралельним включенням двох конденсаторів ємністю 0,022 мкФ кожний. Необхідно відзначити, що при використанні кварцового елемента Q1 з робочою частотою, відмінною від 6 МГц, величини окремих елементів фільтра слід перерахувати.
З виходу фільтра сигнал подається на синхронний детектор, на вході якого встановлено інвертуючий підсилювач з коефіцієнтом підсилення 1, виконаний на елементі IC34b. При цьому за допомогою замикання відповідних пар контактів мікросхеми IC37 (висновки IC37/1,2 і IC37/3,4) здійснюється перемикання негативного сигналу, що подається на інтегруючу ланцюжок з конденсатором С71. Керуючі сигнали для мікросхеми IC37 формуються каскадами, виконаними на транзисторах Т31-Т33.
З виходу інтегруючої ланцюга імпульсний сигнал проходить на вхід підсилювального каскаду, який виконаний на мікросхемі IC35 і одночасно виконує функції фільтра низьких частот. Падіння напруги на виході операційного підсилювача (висновок IC35/6) приводить до відкриття транзистора Т34 і підключенню до загального проводу головних телефонів BF1. При надходженні з відповідного виходу мікроконтролера (висновок IC1/11) на транзистор Т35 керуючого сигналу телефонах буде прослуховуватися сигнал звукової частоти. Резистор R77 обмежує струм, що протікає через головні телефони BF1. Його підбором можна регулювати гучність акустичного сигналу.
Сигнал з виводу IC35/6 також подається на вхід іншого операційного підсилювача (висновок IC36/2), завданням якого є обнулення вихідного сигналу. Його використання пояснюється тим, що на виході мікросхеми IC33 змінюється в часу вихідний сигнал буде формуватися і відсутність в зоні дії пошукової котушки L1 металевих предметів, тому амплітуда результуючого сигналу буде відмінна від нуля. За допомогою резистора R86 на вхід другого підсилювального каскаду (висновок IC32/2) подається напруга зсуву саме в момент надходження першого стробуючого імпульсу. Необхідний рівень напруги зсуву залежить від рівня вихідного сигналу на виводі IC35/6, його формування забезпечується з допомогою інтегруючої ланцюга С73, R78-R80 і підсилювального каскаду на мікросхемі IC36.
Ланцюг формування напруги зсуву функціонує лише під час замикання відповідних контактів мікросхеми IC37 (висновки IC37/9,8). Тривалість цього тимчасового відрізка становить три такти. При цьому керуючі сигнали для мікросхеми IC37 надходять з каскадів, виконаних на транзисторах Т31-Т33. Таким чином забезпечується вирівнювання рівнів сигналів, сформованих в моменти надходження першого і другого стробуючих імпульсів. Натисканням кнопки S2 час процесу обнулення можна значно скоротити.
Деталі та конструкція
Всі деталі даного приладу (за винятком пошукової котушки L1, перемикача Р1, вимикача S1 і кнопки S2) розташовані на друкованій платі (рис. 3.20) розміром 95х65 мм, виготовленої з двостороннього фольгованого гетинаксу або текстоліту.
Рис. 3.20. Друкована плата вдосконаленого імпульсного металошукача
До деталей, застосовуваних у даному пристрої, не пред'являються які-небудь особливі вимоги. Рекомендується використовувати будь-які малогабаритні і конденсатори резистори, які без проблем можна розмістити на друкованій платі. Необхідно відзначити, що для досягнення зазначених на принциповій схемі параметрів окремих елементів слід використовувати паралельне включення резисторів і конденсаторів (рис. 3.21). На друкованій платі для розміщення таких елементів передбачено додаткове місце.
Рис. 3.21. Розташування елементів вдосконаленого імпульсного металошукача (натисніть для збільшення)
Мікросхеми типу LF356 (IC31, IC32) можна замінити на LM318 або NE5534, однак у внаслідок такої заміни можуть виникнути проблеми з налагодженням. В якості підсилювача IC35, крім зазначеної на схемі мікросхеми типу IL071, можна використовувати мікросхеми CA3140, ОР27 або ОР37. Мікросхема типу R061 (IC36) без проблем замінюється на CA3140.
В якості транзисторів Т1-Т3 крім зазначених на принциповій схемі можна використовувати транзистори типу BU2508, BU2515 або ST2408.
Робоча частота кварцового резонатора повинна становити 6 МГц. Можна використовувати будь-який інший кварцовий елемент з частотою резонансу від 2 до 6 МГц. Однак в такому разі потрібно перерахувати параметри елементів фільтра, виконаного на елементі IC34a.
Для монтажу мікропроцесора IC1 слід використовувати спеціальну панельку. При це мікроконтролер встановлюється на плату тільки після закінчення всіх монтажних робіт. Ця умова необхідно дотримуватися і при проведенні регулювальних робіт, пов'язаних з виконанням пайки при підборі величин окремих елементів.
Особливу увагу слід приділити виготовленню котушки L1, індуктивність якої повинна становити 500 мкГ. Конструкція цієї котушки практично нічим не відрізняється від конструкції пошукової котушки L1, використаної в металодетекторі, розглянутому в попередньому розділі. Вона виконана у вигляді кільця діаметром 250 мм і містить 30 витків дроту діаметром не більше 0,5 мм. При використанні дроту більшого діаметра струм в котушці зросте, однак ще швидше будуть зростати значення паразитних вихрових струмів, що призведе до погіршення чутливості приладу.
Слід нагадати, що для виготовлення котушки L1 не рекомендується використовувати лакований провід, оскільки різниця потенціалів між сусідніми витками при випромінюванні імпульсу досягає 20 Ст. Коли в процесі намотування витків котушки поряд виявляться провідники, наприклад першого і п'ятого витків, пробій ізоляції практично забезпечений.
У свою чергу, це може призвести до виходу з ладу транзисторів передавача і інших елементів. Тому провід, який використовується при виготовленні котушки L1, повинен бути хоча б в поліхлорвінілової ізоляції. Готову котушку також рекомендується добре ізолювати. Для цього можна скористатися епоксидної смолою або різними пінними наповнювачами.
Котушку L1 слід підключати до плати за допомогою двожильного добре ізольованого дроту, діаметр кожної жили якого повинен бути не менше діаметр дроту, з якого виготовлена сама котушка. Не рекомендується використовувати коаксіальний кабель з-за його значною власної ємності.
Джерелом звукових сигналів можуть служити або головні телефони з опором від 8 до 32 Ом, або малогабаритний гучномовець з аналогічним опором котушки.
В якості джерела живлення В1 рекомендується використовувати акумуляторну батарею ємністю близько 2 А/год, оскільки струм, споживаний даними металошукачем, перевищує 200 мА.
Друкована плата з розташованими на ній елементами і джерело живлення розміщуються в будь-якому зручному корпусі. На кришці корпусу встановлюються перемикач P1, роз'єми для підключення головних телефонів BF1 і котушки L1, а також вимикач S1 і кнопка S2.
Налагодження
Даний прилад слід налаштовувати в умовах, коли будь-які металеві предмети віддалені від пошукової котушки L1 на відстань не менше 1,5 м.
Особливість налаштування і регулювання розглянутого металошукача полягає у тому, що його окремі блоки та каскади підключаються поступово. При цьому кожна операція з'єднання (пайка) виконується при відключеному джерелі харчування.
У першу чергу потрібно перевірити наявність і величину напруги на відповідних контактах панельки мікросхеми IC1 в відсутність мікроконтролера. Якщо це напруга в нормі, то далі слід встановити на плату мікропроцесор і з допомогою частотомера або осцилографа перевірити сигнал на висновках IC1/4 і IC1/5. Частота пілот-сигналу на зазначених висновках повинна відповідати робочої частоті використовуваного кварцового резонатора.
Після підключення транзисторів перетворювача напруги (без навантаження) споживаний струм повинен зрости приблизно на 50 мА. Напруга на конденсаторі С10 у відсутність навантаження не повинно перевищувати 20 Ст.
Потім слід підключити каскади передавача. Режими роботи транзисторів Т1-Т4 повинні бути однаковими і встановлюються підбором величин резисторів R13-R16.
Опір котушки L1, зашунтированной резисторами R1-R3, має становити приблизно 500 Ом. При цьому висновки котушки і резисторів повинні бути добре пропаяні, оскільки порушення контакту в цьому ланцюзі спричиняє за собою вихід з ладу вихідних транзисторів передавача.
Для перевірки працездатності каскадів передавача можна притримати котушку L1 біля вуха і включити живлення металошукача. Приблизно через півсекунди (після обнулення мікроконтролера) можна буде почути сигнал низького тону, виникнення якого обумовлено колагеном окремих витків котушки. При це на колекторах транзисторів Т1-Т3 буде сформований немодулированный гострий імпульс тривалістю близько 10-20 мкс, форму якого можна проконтролювати за допомогою осцилографа. Збільшення опору резисторів R1-R3 призводить до зростання амплітуди вихідного імпульсу з зменшенням його тривалості. Для підбору величини опору шунта котушки L1 не рекомендується використовувати змінний резистор, оскільки навіть короткочасне порушення контакту движка з струмопровідної доріжкою може вивести з ладу вихідні транзистори передавача. Тому бажано поступово змінювати величину шунта з кроком 50 Ом. Перед заміною деталей потрібно обов'язково вимкнути напругу живлення приладу.
Далі можна приступати до налаштування приймальної частини. Якщо всі деталі справні, а монтаж виконаний безпомилково, то після включення металодетектора (приблизно через 20 мкс після закінчення стартового імпульсу) на виході мікросхеми IC31 (висновок IC31/6) з допомогою осцилографа можна спостерігати експоненціально зростає сигнал, що переходить в сигнал постійного рівня. Спотворення фронту цього сигналу усуваються підбором резисторів R1, R2 і R3, шунтуючих котушку L1.
Після цього слід проконтролювати форму і амплітуду сигналу на виході мікросхеми IC32 (висновок IC32/6). Максимальна амплітуда цього сигналу встановлюється підбором величини резистора R64. В процесі налагодження напруга зсуву на висновок IC32/2 можна подавати з окремого дільника напруги, в якості якого можна використовувати змінний резистор номіналом 5-50 кОм, включений, наприклад, між висновками IC32/4,7. Движок потенціометра підключається до резистору R86.
На виході мікросхеми IC33 (висновок IC33/5) можна спостерігати прямокутний сигнал, амплітуда якого регулюється тимчасово підключеним потенціометром. Далі необхідно проконтролювати сигнали на виходах елементів IC34a і IC34b. При це на висновках IC34/6,7 повинні бути правильні синусоїди. В результаті на конденсаторі С71 формується постійна напруга, яка поступає на вхід мікросхеми IC35.
В процесі настройки можна спостерігати реакцію приладу на зміну положення движка тимчасово підключеного потенціометра, після чого замість нього слід впаяти дільник R84, R85.
Порядок роботи
Порядок роботи з детектором металевих предметів не має істотних відмінностей від використання металодетектора, розглянутого в попередньому розділі.
Перед практичним використанням даного металошукача слід перемикачем P1 встановити мінімальну затримку імпульсу. Якщо в процесі роботи у зоні дії пошукової котушки L1 виявиться якийсь металевий предмет, то в головних телефонах з'явиться акустичний сигнал. Перехід у режим роботи з більшою затримкою імпульсу забезпечить виключення впливу не тільки магнітних властивостей ґрунту, але і позбавить від реакції приладу на всілякі сторонні предмети (іржаві цвяхи, фольгу від сигаретних пачок тощо) і подальшого марного пошуку.
Автор: Адаменко М. В.