Структурная схема импульсного металлоискателя
Основой устройства является микроконтроллер. С его помощью осуществляется формирование временных интервалов для управления другими узлами устройства, а также индикация и общее управление прибором. С помощью мощного ключа производится импульсное накопление энергии в катушке датчика, а затем прерывание тока, после которого возникает импульс самоиндукции, который возбуждает электромагнитное поле в мишени.
"Изюминкой" этой схемы является применение дифференциального усилителя во входном каскаде. Он служит для усиления сигнала, напряжение которого выше напряжения питания. Для дальнейшего усиления служит приемный усилитель с большим коэффициентом усиления. Для измерения полезного сигнала служит первый интегратор. Во время прямого интегрирования производится накопление полезного сигнала, а во время обратного интегрирования производится преобразование результата в цифровую форму. Второй интегратор имеет большую постоянную интегрирования (240мс) и служит для балансировки усилительного тракта по постоянному току.
Принципиальная схема
Принципиальная схема импульсного металлоискателя изображена здесь.
Мощный ключ собран на полевом транзисторе VT1. Т.к. полевой транзистор IRF740 имеет емкость затвора более 1000пФ, для его быстрого закрытия используется предварительный каскад на транзисторе VT2. Скорость открытия мощного ключа уже не столь критична из-за того, что ток в индуктивной нагрузке нарастает постепенно. Резисторы R1,R3 предназначены для "гашения" энергии самоиндукции. Их номинал выбран из соображений безопасной работы транзистора VT1, а также обеспечения апериодического характера переходного процесса в контуре, который образован индуктивностью датчика и паразитной межвитковой емкостью. Защитные диоды VD1,VD2 ограничивают перепады напряжения на входе дифференциального усилителя.
Дифференциальный усилитель собран на ОУ D1.1. Микросхема D1 представляет собой счетверенный операционный усилитель TL074. Его отличительными свойствами являются высокое быстродействие, малое потребление, низкий уровень шумов, высокое входное сопротивление, а также возможность работы при напряжениях на входах, близких к напряжению питания. Эти свойства и обусловили его применение в дифференциальном усилителе в частности и в схеме в целом. Коэффициент усиления дифференциального усилителя составляет около 7 и определяется номиналами резисторов R3,R6:R9,R11.
Приемный усилитель D1.2 представляет собой неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления 57. Во время действия высоковольтной части импульса самоиндукции этот коэффициент снижается до 1 с помощью аналогового ключа D2.1. Это предотвращает перегрузку входного усилительного тракта и обеспечивает быстрое вхождение в режим для усиления слабого сигнала. Транзистор VT3, а также транзистор VT4, предназначены для согласования уровней управляющих сигналов, подаваемых с микроконтроллера на аналоговые ключи.
С помощью второго интегратора D1.3 производится автоматическая балансировка входного усилительного тракта по постоянному току. Постоянная интегрирования 240 мс. выбрана достаточно большой, чтобы эта обратная связь не влияла на усиление быстро изменяющегося полезного сигнала. С помощью этого интегратора на выходе усилителя D1.2 при отсутствии сигнала поддерживается уровень +5В.
Измерительный первый интегратор выполнен на D1.4. На время интегрирования полезного сигнала открывается ключ D2.2 и соответственно закрывается ключ D2.4. На ключе D2.3 реализован логический инвертор. После завершения интегрирования сигнала ключ D2.2 закрывается и открывается ключ D2.4. Накопительный конденсатор C6 начинает разряжаться через резистор R21. Время разряда будет пропорционально напряжению, которое установилось на конденсаторе C6 к концу интегрирования полезного сигнала. Это время измеряется с помощью микроконтроллера, который осуществляет аналого-цифровое преобразование. Для измерения времени разряда конденсатора C6 используются аналоговый компаратор и таймеры, которые встроены в микроконтроллер D3.
Микроконтроллер AT90S2313 также имеет в своем составе 8-ми битный RISC процессор с быстродействием 10MIPS, 32рабочих регистра, 2 килобайта Flash ПЗУ, 128 байт ОЗУ, сторожевой таймер.
С помощью светодиодов VD3...VD8 производится световая индикация. Кнопка S1 предназначена для начального сброса микроконтроллера. С помощью переключателей S2 и S3 задаются режимы работы устройства. С помощью переменного резистора R29 регулируется чувствительность металлоискателя.
Алгоритм функционирования
Для разъяснения принципа работы описываемого импульсного металлоискателя ниже приведены осциллограммы сигналов в наиболее важных точках прибора.
На время интервала A открывается ключ VT1. Через катушку датчика начинает протекать пилообразный ток - осциллограмма 2. При достижении величины тока около 2А ключ закрывается. На стоке транзистора VT1 возникает выброс напряжения самоиндукции - осциллограмма 1. Величина этого выброса более 300Вольт и ограничивается резисторами R1,R3. Для предотвращения перегрузки усилительного тракта служат ограничительные диоды VD1,VD2. Также для этой цели на время интервала A (накопление энергии в катушке) и интервала B (выброс самоиндукции) открывается ключ D2.1. Это снижает сквозной коэффициент усиления тракта с 400 до 7. На осциллограмме 3 показан сигнал на выходе усилительного тракта(вывод 8 D1.2) Начиная с интервала C ключ D2.1 закрывается и коэффициент усиления тракта становится большим. После завершения защитного интервала C, за время которого усилительный тракт входит в режим, открывается ключ D2.2 и закрывается ключ D2.4 - начинается интегрирование полезного сигнала - интервал D. По истечении этого интервала ключ D2.2 закрывается, а ключ D2.4 открывается - начинается "обратное" интегрирование. За это время (интервалы E и F) конденсатор C6 полностью разряжается. С помощью встроенного аналогового компаратора микроконтроллер отмеряет величину интервала E, которая оказывается пропорциональной уровню входного полезного сигнала. Для версий V1.0 и V1.1 микропрограммного обеспечения установлены следующие значения интервалов:
A - 60...200мкс, B - 12мкс, C - 8мкс, D - 50мкс, A+B+C+D+E+F - 5мс (период повторения).
Микроконтроллер обрабатывает полученные цифровые данные и индицирует с помощью светодиодов VD3...VD8 и излучателя звука Y1 степень воздействия мишени на датчик. Светодиодная индикация представляет собой аналог стрелочного индикатора - при отсутствии мишени горит светодиод VD8, далее в зависимости от уровня воздействия последовательно загораются VD7,VD6 и т.д.