미세 회로에 대한 간단한 펄스 금속 탐지기. 계획, 설명

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미세 회로의 간단한 펄스 금속 탐지기. 무선 전자 및 전기 공학 백과사전

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최근 PI (Pulse Induction) 유형의 펄스 금속 탐지기가 상대적으로 널리 보급되어 검색 영역에서 금속 물체의 존재를 평가하기 위해 금속 물체의 와류 표면 전류가 발생하는 현상 외부 전자기장이 사용됩니다.

PI 유형의 금속 탐지기에서 교류 전자기장이 시작되는 전송 코일에 펄스 신호가 적용됩니다. 이 필드의 영역에 금속 물체가 나타나면 펄스 신호의 영향으로 표면에 와전류가 주기적으로 발생합니다. 이 전류는 수신 코일에 의해 수신되는 XNUMX차 신호의 소스입니다. 자기 유도 현상으로 인해 XNUMX차 신호의 모양은 전송 코일에서 방출되는 펄스의 모양과 다릅니다. 이 경우 XNUMX차 펄스 신호 매개변수의 차이는 디스플레이 장치에 대한 후속 데이터 생성과 함께 분석에 사용됩니다. 저자에게 알려진 모든 펄스형 금속 탐지기에서 XNUMX차 펄스의 트레일링 에지 모양의 변화가 평가됩니다.

해당 장치는 적절한 소프트웨어와 함께 마이크로프로세서를 사용합니다. 불행하게도 이 책이 출판될 당시에는 그의 펌웨어의 100% 실행 가능한 버전을 출판하는 것이 불가능했습니다. 따라서 관심이 있고 준비된 독자는 마이크로 컨트롤러용 펌웨어를 만드는 기술을 테스트할 수 있습니다. 저자는 러시아 장인이이 작업에 명예롭게 대처할 것임을 잠시 의심하지 않습니다.

그럼에도 불구하고 저자에 따르면 제안된 금속 탐지기의 설계는 초보자 무선 아마추어가 반복하기에는 상당히 복잡합니다. 이 장치를 조정할 때 발생하는 어려움에 대해서도 언급해야 합니다. 설치 중 오류 및 장치의 잘못된 설정으로 인해 값 비싼 요소가 고장날 수 있다는 사실에 특별한주의를 기울일 필요가 있습니다.

회로도

제안된 단순 펄스 금속 검출기의 개략도는 조건부로 송신기 유닛과 수신기 유닛의 두 부분으로 나눌 수 있습니다. 안타깝게도 이 책의 분량이 제한되어 있어 이 장치를 만드는 데 사용된 회로 솔루션의 모든 기능을 자세히 설명할 수 없습니다. 따라서 가장 중요한 노드와 캐스케이드의 기능에 대한 기본 사항은 다음과 같습니다.

송신기 장치(그림 3.14)에는 펄스 형성 및 동기화 모듈, 송신기 자체 및 전압 변환기가 포함됩니다.

쌀. 3.14. 단순 펄스 금속 탐지기의 송신기 장치 개략도(확대하려면 클릭)

전체 설계의 주요 구성 요소는 ATMEL의 AT1C89 유형 IC2051 마이크로프로세서에서 만들어지고 송신기에 대한 펄스 형성과 다른 모든 장치의 작동을 제어하는 신호를 제공하는 펄스 성형 및 동기화 모듈입니다. 마이크로 컨트롤러 IC1의 작동 주파수는 석영 공진기(3,5MHz)에 의해 안정화됩니다. 지정된 작동 주파수 값에서 마이크로프로세서는 금속 검출기의 다양한 단계에 대한 주기적인 제어 펄스 시퀀스를 생성합니다. 이 시퀀스는 각각 250μs의 지속 시간을 갖는 9주기로 구성됩니다.

처음에는 트랜지스터 T1에 대한 제어 펄스가 마이크로프로세서의 IC14/6 출력에서 생성된 후 트랜지스터 T1에 대한 IC15/7 출력에서 유사한 펄스가 생성됩니다. 그런 다음 이 과정을 한 번 더 반복합니다. 결과적으로 전압 변환기가 시작됩니다.

또한 IC1/8, IC1/7, IC1/6, IC1/16, IC1/17, IC1/19 및 IC1/18의 결론에서 순차적으로 송신기 트리거 펄스가 형성됩니다. 이 경우 이러한 펄스의 지속 시간은 동일하지만 각 후속 펄스는 이전 펄스에 비해 몇 주기 지연됩니다. IC1/8 핀에서 생성된 첫 번째 펄스의 시작은 IC1/15 핀에서 두 번째 펄스의 끝과 일치합니다. 스위치 P1을 사용하여 시작 펄스와 관련하여 송신기 시작 펄스의 지연 시간을 선택할 수 있습니다.

IC1/18 핀에서 펄스가 끝난 후 몇 사이클 후에 분석기 채널 중 하나에 대한 짧은 스트로브 펄스가 IC1/3 핀에서 생성됩니다. 그런 다음 분석기의 두 번째 채널을 위한 유사한 펄스가 IC1/9의 출력에서 형성됩니다. 그 후 IC1 / 11의 출력에서 \u10b\uXNUMXb수신기의 음향 신호 회로의 트랜지스터 TXNUMX에 대한 제어 신호가 생성됩니다. 그런 다음 잠시 멈춘 후 마이크로 컨트롤러의 해당 출력에서 제어 펄스 시퀀스가 다시 형성됩니다.

이전에 IC5에 의해 안정화된 +2V 공급 전압이 마이크로컨트롤러의 IC1/20 핀에 적용됩니다.

트랜지스터 T6-T8 및 스태빌라이저 IC3에서 만들어진 전압 변환기는 수신 부품의 캐스케이드에 전원을 공급하는 데 필요한 12V의 바이폴라 공급 전압을 형성합니다. 트랜지스터 T7 및 T8에 대한 제어 신호는 마이크로컨트롤러 IC1의 해당 핀에서 생성됩니다. 동시에이 신호는 트랜지스터 T8에 조립 된 레벨 변환기를 통해 트랜지스터 T6에 공급됩니다. 또한 생성 된 공급 전압은 IC3 마이크로 회로에 의해 안정화되며 +12V 전압이 수신 부분의 캐스케이드에 공급되는 출력에서 안정됩니다.

송신기의 출력단은 강력한 트랜지스터 T1, T2 및 T3에서 만들어지며 저항 R1-R1 체인에 의해 분로되는 코일 L6 인 공통 부하에서 작동합니다. 출력단 트랜지스터의 동작은 트랜지스터 T4에 의해 제어된다. 트랜지스터 T4의 베이스로의 제어 신호는 프로세서 IC1의 해당 출력으로부터 트랜지스터 T5를 통해 공급된다.

메모리에 저장된 프로그램에 따라 마이크로 프로세서 IC1에 의해 생성 된 펄스는 스위치를 통해 트랜지스터 T5의 입력으로 공급되고 트랜지스터 T4를 통해 트랜지스터 T1-T3에서 만들어진 송신기의 출력단으로 공급됩니다. , 그리고 트랜시버 코일 L1. L1 코일의 커버리지 영역에 금속 물체가 나타나면 송신기 펄스에 의해 시작된 외부 전자기장의 영향으로 와상 표면 전류가 표면에서 여기됩니다. 이러한 전류의 수명은 코일 L1에서 방출되는 펄스의 지속 시간에 따라 달라집니다.

차례로, 표면 전류는 L1 코일에서 적절한 지연으로 수신되고 증폭되어 분석 회로에 공급되는 1차 펄스 신호의 소스입니다. 자기 유도 현상으로 인해 XNUMX차 신호의 지속 시간이 전송 코일에서 방출되는 펄스의 지속 시간보다 길다는 점에 유의해야 합니다. 이 경우 XNUMX차 펄스의 모양은 감지된 물체가 만들어지는 금속의 특성에 따라 달라집니다. 코일 LXNUMX에 의해 방출되고 수신되는 펄스 매개변수의 차이에 대한 정보 처리는 금속 물체의 존재에 대한 표시 장치에 대한 데이터의 형성을 제공합니다. 고려되는 금속 검출기에서 XNUMX차 펄스 신호의 트레일링 에지의 매개변수가 분석에 사용됩니다.

수신기 장치(그림 3.15)에는 XNUMX단계 입력 신호 증폭기, 분석기 및 사운드 표시 회로가 포함됩니다.

쌀. 3.15. 단순 펄스 금속 탐지기의 수신기 장치 개략도(확대하려면 클릭)

금속 물체의 신호는 코일 L1에 의해 수신되고 다이오드 D1 및 D2에서 만들어진 보호 회로를 통해 연산 증폭기 IC4 및 IC5에서 만들어진 입력 5단 용량성 피드백 증폭기에 공급됩니다. IC5의 출력(출력 IC6 / 6)에서 증폭된 펄스 신호가 IC8-ICXNUMX 마이크로 회로에서 만들어진 분석기 회로로 공급됩니다.

증폭기 IC6 및 IC7은 장치 작동 중에 지속적으로 꺼지며 스트로브 펄스가 해당 입력 (출력 IC6/8 및 IC7/8)에 도달하는 경우에만 공급 전압이 적용됩니다. 9μs(6주기). 동시에 스트로브 펄스가 증폭기 IC30에 적용되고 선택된 송신기 트리거 펄스의 끝과 관련하여 100-7μs 지연되고 증폭기 IC200에 적용됩니다-첫 번째 스트로브 펄스의 끝과 관련하여 400 지연됨 μs. 이러한 지연의 필요성은 수신된 신호의 모양이 많은 외부 요인의 영향에 따라 달라지므로 유용한 신호는 펄스 종료 후 약 1μs 간격에서만 관찰될 수 있다는 사실로 설명됩니다. 이 경우 유용한 신호는 방출된 펄스와 비교하여 XNUMX차 펄스의 트레일링 에지 지속 시간이 증가하여 코일 LXNUMX이 금속 물체에 접근할 때 양의 전압이 증가하는 것입니다.

몇 초 동안 각 증폭기 (미소 회로 IC6 및 IC7)의 출력에서 공급 전압이 끝나면 스트로브 펄스에 노출되는 동안 고정 된 수신 신호 레벨이 유지됩니다. 따라서 수신된 펄스 신호는 해당 증폭기(단자 IC6/3 및 IC7/3)의 입력 중 하나와 펄스 형성 및 동기화 모듈(핀 IC6/8 및 IC7/8)의 해당 스트로브 펄스에 적용됩니다.

IC6 및 IC7의 출력(핀 IC6/5 및 IC7/5)에서 생성된 신호는 IC8 칩에서 만들어진 차동 증폭기의 해당 입력에 공급됩니다. 이 경우 증폭기 IC6의 출력 신호는 장치의 감도가 조정되는 가변 저항 R45를 통과합니다. 금속 탐지기의 감지 영역에 금속 물체가 있는 경우 차동 증폭기의 해당 입력(핀 IC8/2 및 IC8/3)의 신호 레벨은 동일합니다. 그 결과 이 증폭기(핀 IC8/6)의 출력이 낮아집니다.

증폭기 IC8의 출력에서 전압 강하는 트랜지스터 T9가 열리고 헤드폰 BF1의 공통 와이어에 연결됩니다. 마이크로 컨트롤러의 해당 출력(핀 IC1/11)에서 트랜지스터 T10으로 제어 신호가 수신되면 전화기에서 오디오 주파수 신호가 들립니다. 저항 R44는 BF1 헤드폰을 통해 흐르는 전류를 제한합니다. 이를 선택하면 음향 신호의 볼륨을 조정할 수 있습니다.

이 금속 탐지기의 전원은 1V 전압의 소스 B12에서 공급됩니다.

세부 사항 및 디자인

고려 중인 장치의 모든 부품(검색 코일 L1, 저항 R45, 스위치 P1 및 스위치 S1 제외)은 양면 호일 getinax로 만든 105x65mm 크기의 인쇄 회로 기판(그림 3.16)에 있습니다. 또는 텍스톨라이트.

미세 회로의 간단한 펄스 금속 탐지기
쌀. 3.16. 단순 펄스 금속 탐지기의 인쇄 회로 기판

이 장치에 사용되는 부품에 대한 특별한 요구 사항은 없습니다. 아무 문제 없이 인쇄 회로 기판에 배치할 수 있는 작은 크기의 커패시터와 저항을 사용하는 것이 좋습니다(그림 3.17).

미세 회로의 간단한 펄스 금속 탐지기
쌀. 3.17. 간단한 펄스 금속 탐지기 요소의 위치

LF357(IC4) 유형 IC는 LM318 또는 NE5534로 교체할 수 있지만 이로 인해 설정 문제가 발생할 수 있습니다. 증폭기 IC5로 다이어그램에 표시된 LF356 칩 외에도 CA3140 칩을 사용할 수 있습니다. LF398(IC6, IC7)과 같은 칩은 MAC198로 쉽게 대체됩니다. CA3140 증폭기(IC8) 대신 TL071 칩을 사용할 수 있습니다.

트랜지스터 T1-T3은 회로도에 표시된 것 외에도 BU2508, BU2515 또는 ST2408과 같은 트랜지스터를 사용할 수 있습니다.

석영 공진기의 작동 주파수는 3,5MHz여야 합니다. 그러나 공진 주파수가 2~6MHz인 다른 석영 소자를 사용할 수 있습니다.

마이크로 프로세서 IC1을 장착하려면 특수 소켓을 사용하십시오. 이 경우 모든 설치 작업이 완료된 후에야 마이크로 컨트롤러가 보드에 설치됩니다. 개별 요소의 값을 선택할 때 납땜과 관련된 조정 작업을 수행할 때도 이 조건을 준수해야 합니다.

인덕턴스가 1μH 여야하는 코일 L500의 제조에 특별한주의를 기울여야합니다. 코일 L1은 직경 250mm의 링 형태로 만들어지며 직경 30mm 이하의 와이어 0,5회를 포함합니다. 더 큰 직경의 와이어를 사용하면 코일의 전류가 증가하지만 기생 맴돌이 전류가 더 빨리 증가하여 장치의 감도가 저하됩니다.

코일 제조의 경우 펄스 방출 중 인접한 권선 사이의 전위차가 20V에 도달하기 때문에 니스 처리 된 와이어를 사용하지 않는 것이 좋습니다. 코일 권선 중에 예를 들어 근처에 도체가있는 경우 , 첫 번째 및 다섯 번째 회전, 절연 파괴가 실질적으로 보장됩니다. 이로 인해 송신기 트랜지스터 및 기타 요소가 고장날 수 있습니다. 따라서 L1코일의 제조에 사용되는 전선은 최소한 PVC로 절연 처리되어야 한다. 완성된 코일도 잘 절연하는 것이 좋습니다. 이를 위해 에폭시 수지 또는 다양한 폼 필러를 사용할 수 있습니다.

코일 L1은 각 코어의 직경이 코일 자체가 만들어지는 와이어의 직경보다 작아서는 안 되는 XNUMX코어 절연 전선을 사용하여 보드에 연결해야 합니다. 동축 케이블은 고유 정전 용량이 크기 때문에 사용하지 않는 것이 좋습니다.

사운드 신호의 소스는 임피던스가 8~32옴인 헤드폰이거나 유사한 코일 임피던스를 가진 소형 스피커일 수 있습니다.

이 금속 탐지기가 소비하는 전류량이 최소 1mA이기 때문에 B2용 전원으로 약 200Ah 용량의 충전식 배터리를 사용하는 것이 좋습니다.

요소가있는 인쇄 회로 기판과 전원 공급 장치는 적절한 하우징에 배치됩니다. 하우징 커버에는 가변 저항 R45, 스위치 P1, 헤드폰 BF1과 코일 L1 연결용 커넥터, 스위치 S1이 설치되어 있습니다.

설립

이 장치는 검색 코일 L1에서 최소 1,5m 거리에서 금속 물체를 제거한 상태에서 조정해야 하며 해당 금속 탐지기 설정 및 조정의 특징은 개별 블록과 캐스케이드가 점차적으로 연결된다는 것입니다. 이 경우 각 연결 작업(납땜)은 전원이 꺼진 상태에서 수행됩니다.

우선, 마이크로 컨트롤러가 없을 때 IC1 마이크로 회로 소켓의 해당 핀에서 공급 전압의 존재와 크기를 확인해야 합니다. 공급 전압이 정상이면 보드에 마이크로 프로세서를 설치하고 주파수 측정기 또는 오실로스코프를 사용하여 핀 IC1/4 및 IC1/5에서 신호를 확인해야 합니다. 이 핀의 파일럿 신호 주파수는 사용된 석영 공진기의 작동 주파수와 일치해야 합니다.

전압 변환기의 트랜지스터를 연결한 후(부하 없이) 소비 전류는 50mA 증가해야 합니다. 부하가 없을 때 커패시터 C10 양단의 전압은 약 20V여야 합니다. 그런 다음 송신기 스테이지를 연결해야 합니다. 트랜지스터 T1-T4의 작동 모드는 동일해야 하며 저항 R13-R16의 값을 선택하여 설정합니다.

저항 R1-R1에 의해 분로된 코일 L3의 저항은 약 500옴이어야 합니다. 이 경우이 회로의 접촉 실패는 송신기의 출력 트랜지스터의 실패를 수반하기 때문에 코일과 저항의 결론은 잘 납땜되어야합니다.

송신기 단계의 작동을 확인하려면 L1 코일을 귀에 대고 금속 탐지기의 전원을 켤 수 있습니다. 약 1초 후(마이크로컨트롤러를 재설정한 후) 낮은 신호음이 들릴 수 있으며, 이는 개별 코일 회전의 미세 진동으로 인해 발생합니다. 이 경우 오실로스코프를 사용하여 모양을 제어할 수 있는 트랜지스터 T3-T10의 콜렉터에 약 20-1μs 지속 시간의 변조되지 않은 뾰족한 펄스가 형성됩니다. 저항 R3-R1의 저항이 증가하면 지속 시간이 감소함에 따라 출력 펄스의 진폭이 증가합니다. 코일 L50 션트의 저항 값을 선택하려면 가변 저항을 사용하지 않는 것이 좋습니다. 전류 전달 트랙과 엔진의 접촉을 단기간 위반하더라도 출력 트랜지스터가 고장날 수 있기 때문입니다. 송신기. 따라서 션트의 값을 XNUMX옴 단위로 점진적으로 변화시키는 것이 바람직하다. 부품을 교체하기 전에 장치의 전원 공급 장치를 꺼야 합니다.

다음으로 수신 부분 설정을 진행할 수 있습니다. 모든 부품의 상태가 양호하고 설치가 올바르게 완료되면 금속 탐지기를 켠 후(시작 펄스 종료 후 약 20μs) IC4 칩의 출력에서 기하급수적으로 증가하는 신호를 관찰할 수 있습니다. (핀 IC4 / 6) 오실로스코프를 사용하여 일정한 레벨 신호로 전환합니다. 이 신호의 전면 왜곡은 저항 R1-R3을 선택하여 코일 L1을 션트함으로써 제거됩니다. 그런 다음 IC5 칩의 출력(핀 IC5/6)에서 신호의 모양과 진폭을 확인해야 합니다. 이 신호의 최대 진폭은 저항 R36의 값을 선택하여 설정됩니다.

IC6의 출력(핀 IC6 / 5)에서 스위치 P1을 사용하여 선택한 펄스와 코일 L1 영역에 금속 물체가 있는지에 따라 일정한 신호가 생성되어야 합니다. 이상적으로 이 신호는 스위치 P1의 모든 위치에 대해 XNUMX에 가까워야 합니다.

결론적으로 시작 펄스에 대한 예시적인 측정 펄스의 위치를 올바르게 설정해야 합니다. 이를 위해서는 석영 공진기 Q1을 선택하여 적절한 작동 주파수를 선택하는 것으로 충분합니다.

업무 절차

이 금속 탐지기를 실제로 사용하기 전에 스위치 P1로 최소 펄스 지연을 설정하고 저항 R45로 최대 감도를 설정해야 합니다. 작동 중에 검색 코일 L1의 커버리지 영역에 금속 물체가 나타나면 헤드폰에 음향 신호가 나타납니다.

더 긴 펄스 지연으로 작동 모드로 전환하면 토양의 자기 특성의 영향을 배제할 뿐만 아니라 모든 종류의 이물질(녹슨 못, 담배 팩 등의 호일) 및 후속 쓸데없는 검색.

저자: Adamenko M.V.

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