Глава 3. Металлоискатели на микросхемах. В специализированной литературе много лет публикуются описания металлоискателей разных типов, выполненных на микросхемах. При этом предлагаемые конструкции отличаются не только используемой элементной базой, но и степенью сложности. В данной главе рассматриваются лишь некоторые схемотехнические решения, которые легли в основу как простых устройств, которые под силу собрать начинающим радиолюбителям, так и более сложных конструкций. 3.1. Простой металлоискатель на микросхеме К155ЛА3. Начинающим радиолюбителям можно рекомендовать для повторения конструкцию просго металлоискателя, основой для которого послужила схема, неоднократно публиковавшаяся в конце 70-х годов прошлого столетия в различных отечественных и зарубежных специализированных изданиях. Этот металлодетектор, выполненный всего на одной микросхеме типа К155ЛА3, можно собрать за несколько минут. Принципиальная схема. Предлагаемая конструкция представляет собой один из многочисленных вариантов металлодетекторов типа BFO (Beat Frequency Oscillator), то есть является устройством, в основу которого положен принцип анализа биений двух сигналов, близких по частоте (рис. 3.1). При этом в данной конструкции оценка изменения частоты биений осуществляется на слух. Рис. 3.1. Принципиальная схема металлоискателя на микросхеме К155ЛА3. Основу прибора составляют измерительный и опорный генераторы, детектор колебаний ВЧ, схема индикации, а также стабилизатор питающего напряжения. В рассматриваемой конструкции использованы два простых LC-генератора, выполненные на микросхеме IC1. Схемотехнические решения этих генераторов практически идентичны. При этом первый генератор, который является опорным, собран на элементах IC1.1 и IC1.2, а второй, измерительный или перестраиваемый генератор, выполнен на элементах IC1.3 и IC1.4. Контур опорного генератора образован конденсатором С1 емкостью 200 пФ и катушкой L1. В контуре измерительного генератора используются конденсатор переменной емкости С2 с максимальной емкостью примерно 300 пФ, а также поисковая катушка L2. При этом оба генератора настроены на рабочую частоту примерно 465 кГц. Выходы генераторов через развязывающие конденсаторы СЗ и С4 подключены к детектору колебаний ВЧ, выполненному на диодах D1 и D2 по схеме удвоения выпрямленного напряжения. Нагрузкой детектора являются головные телефоны BF1, на которых выделяется сигнал низкочастотной составляющей. При этом конденсатор С5 шунтирует нагрузку по высшим частотам. При приближении поисковой катушки L2 колебательного контура перестраиваемого генератора к металлическому предмету ее индуктивность изменяется, что вызывает изменение рабочей частоты данного генератора. При этом, если вблизи катушки L2 находится предмет из черного металла (ферромагнетика), ее индуктивность увеличивается, что приводит к уменьшению частоты перестраиваемого генератора. Цветной же металл уменьшает индуктивность катушки L2, а рабочую частоту генератора увеличивает. ВЧ-сигнал, сформированный в результате смешивания сигналов измерительного и опорного генераторов после прохождения через конденсаторы С3 и С4, подается на детектор. При этом амплитуда сигнала ВЧ изменяется с частотой биений. Низкочастотная огибающая ВЧ-сигнала выделяется детектором, выполненным на диодах D1 и D2. Конденсатор С5 обеспечивает фильтрацию высокочастотной составляющей сигнала. Далее сигнал биений поступает на головные телефоны BF1. Питание на микросхему IC1 подается от источника В1 напряжением 9 В через стабилизатор напряжения, образованный стабилитроном D3, балластным резистором R3 и регулирующим транзистором T1. Детали и конструкция. Для изготовления рассматриваемого металлоискателя можно использовать любую макетную плату. Поэтому к используемым деталям не предъявляются какие-либо ограничения, связанные с габаритными размерами. Монтаж может быть как навесной, так и печатный. При повторении металлодетектора можно использовать микросхему К155ЛА3, состоящую из четырех логических элементов 2И-НЕ, питающихся от общего источника постоянного тока. В качестве конденсатора С2 можно использовать конденсатор настройки от переносного радиоприемника (например от радиоприемника «Альпинист»). Диоды D1 и D2 можно заменить любыми высокочастотными германиевыми диодами. Катушка L1 контура опорного генератора должна иметь индуктивность около 500 мкГ. В качестве такой катушки рекомендуется использовать, например, катушку фильтра ПЧ супергетеродинного приемника. Измерительная катушка L2 содержит 30 витков провода ПЭЛ диаметром 0,4 мм и выполнена в виде тора диаметром 200 мм. Эту катушку проще изготовить на жестком каркасе, однако можно обойтись и без него. В этом случае в качестве временного каркаса можно использовать любой подходящий по размерам круглый предмет, например банку. Витки катушки наматываются внавал, после чего снимаются с каркаса и экранируются электростатическим экраном, который представляет собой незамкнутую ленту из алюминиевой фольги, намотанную поверх жгута витков. Щель между началом и концом намотки ленты (зазор между концами экрана) должна составлять не менее 15 мм. При изготовлении катушки L2 нужно особенно следить за тем, чтобы не произошло замыкание концов экранирующей ленты, поскольку в этом случае образуется короткозамкнутый виток. В целях повышения механической прочности катушку можно пропитать эпоксидным клеем. Для источника звуковых сигналов следует применить высокоомные головные телефоны с возможно большим сопротивлением (около 2000 Ом). Подойдет, например, широко известный телефон ТА-4 или ТОН-2. В качестве источника питания В1 можно использовать, например, батарейку «Крона» или две батарейки типа 3336Л, соединенные последовательно. В стабилизаторе напряжения емкость электролитического конденсатора С6 может составлять от 20 до 50 мкФ, а конденсатора С7 – от 3 300 до 68 000 пФ. Напряжение на выходе стабилизатора, равное 5 В, устанавливается подстроечным резистором R4. Такое напряжение будет поддерживаться неизменным даже при значительной разрядке батарей. Необходимо отметить, что микросхема К155ЛАЗ рассчитана на питание от источника постоянного тока напряжением 5 В. Поэтому при желании из схемы можно исключить блок стабилизатора напряжения и использовать качестве источника питания одну батарейку типа 3336Л или аналогичную ей, что позволяет собрать компактную конструкцию. Однако разрядка этой батарейки очень быстро отразится на функциональных возможностях данного металлодетектора. Именно поэтому необходим блок питания, обеспечивающий формирование стабильного напряжения 5 В. Следует признать, что в качестве источника питания автор использовал четыре большие круглые батарейки импортного производства, соединенные последовательно. При этом напряжение 5 В формировалось интегральным стабилизатором типа 7805. Плата с расположенными на ней элементами и источник питания размещаются в любом подходящем пластмассовом или деревянном корпусе. На крышке корпуса устанавливаются переменный конденсатор С2, выключатель S1, а также разъемы для подключения поисковой катушки L2 и головных телефонов BF1 (эти разъемы и выключатель S1 на принципиальной схеме не указаны). Налаживание. Как и при регулировке других металлоискателей, данный прибор следует настраивать в условиях, когда металлические предметы удалены от поисковой катушки L2 на расстояние не менее одного метра. Сначала с помощью частотомера или осциллографа необходимо настроить рабочие частоты опорного и измерительного генераторов. Частота опорного генератора устанавливается равной примерно 465 кГц регулировкой сердечника катушки L1 и, при необходимости, подбором емкости конденсатора С1. Перед регулировкой потребуется отсоединить соответствующий вывод конденсатора С3 от диодов детектора и конденсатора С4. Далее нужно отсоединить соответствующий вывод конденсатора С4 от диодов детектора и от конденсатора С3 и регулировкой конденсатора С2 установить частоту измерительного генератора так, чтобы ее значение отличалось от частоты опорного генератора примерно на 1 кГц. После восстановления всех соединений металлоискатель готов к работе. Порядок работы. Проведение поисковых работ с помощью рассмотренного металлодетектора не имеет каких-либо особенностей. При практическом использовании прибора следует переменным конденсатором С2 поддерживать необходимую частоту сигнала биений, которая изменяется при разряде батареи, изменении температуры окружающей среды или девиации магнитных свойств грунта. Если в процессе работы частота сигнала в головных телефонах изменится, то это свидетельствует о наличии в зоне действия поисковой катушки L2 какого-либо металлического предмета. При приближении к некоторым металлам частота сигнала биений будет увеличиваться, а при приближении к другим – уменьшаться. По изменению тона сигнала биений, имея определенный опыт, можно легко определить, из какого металла, магнитного или немагнитного, изготовлен обнаруженный предмет. 3.2. Простой металлоискатель на микросхеме К176ЛЕ5. Как уже указывалось ранее, среди начинающих радиолюбителей большой популярностью пользуются схемы металлодетекторов, которые работают по принципу анализа частоты сигнала биений, возникающего при смешивании двух близких по частоте сигналов (принцип BFO). Такие приборы просты в изготовлении и налаживании, о чем можно судить, ознакомившись со следующей конструкцией. Принципиальная схема. Как и в металлодетекторе, рассмотренном в предыдущем разделе, данный прибор собран всего на одной микросхеме (рис. 3.2). Однако отличия заключаются не только в другом типе используемой микросхемы, но и в схемотехнике опорного и измерительного генераторов. Несколько иное построение схемы позволило обойтись без конденсатора переменной емкости, а также использовать всего одну катушку индуктивности. Рис. 3.2. Принципиальная схема металлоискателя на микросхеме К176ЛЕ5. Основу прибора составляют измерительный и опорный генераторы, детектор колебаний ВЧ и схема индикации. Как и в упомянутой конструкции, в рассматриваемом приборе использованы два простых генератора, выполненные на элементах микросхемы IC1. При этом первый генератор, который является опорным, собран на элементах IC1.1 и IC1.2, а второй, измерительный или перестраиваемый генератор выполнен на элементах IC1.3 и IC1.4. Рабочая частота опорного генератора зависит от суммарного сопротивления резисторов R1 и R2, а также от емкости конденсатора С1. Подстроечным резистором R1 обеспечивается грубое, а переменным резистором R2 – плавное изменение частоты генератора. Частота измерительного генератора зависит от емкости конденсатора С2 и индуктивности катушки L1, которая является поисковой. Выходы обоих генераторов через развязывающие конденсаторы С3 и С4 подключены к детектору ВЧ-колебаний, выполненному на диодах D1 и D2 по схеме удвоения выпрямленного напряжения. С выхода детектора низкочастотный сигнал подается непосредственно на головные телефоны BF1. Конденсатор С5 обеспечивает шунтирование нагрузки по высшим частотам. При приближении поисковой катушки L1 колебательного контура перестраиваемого генератора к металлическому предмету ее индуктивность изменяется, что вызывает изменение рабочей частоты генератора. Если вблизи катушки L1 находится предмет из черного металла, ее индуктивность увеличивается, что приводит к уменьшению частоты измерительного генератора. Цветной же металл уменьшает индуктивность катушки L1, при этом рабочая частота генератора возрастает. ВЧ-сигнал, сформированный в результате смешивания сигналов измерительного и опорного генераторов после прохождения через конденсаторы С3 и С4, подается на детектор. При этом амплитуда сигнала ВЧ изменяется с частотой биений. Низкочастотная огибающая ВЧ-сигнала выделяется детектором, выполненным на диодах D1 и D2. Конденсатор С5 обеспечивает фильтрацию высокочастотной составляющей сигнала. Далее сигнал биений поступает на головные телефоны BF1. Питание на микросхему IC1 подается от источника В1 напряжением 9 В. Детали и конструкция. Все детали простого транзисторного металлоискателя за исключением поисковой катушки L1, резисторов R1 и R2, разъемов Х1 и Х2 и выключателя S1 расположены на печатной плате размерами 80х22 мм, изготовленной из одностороннего фольгированного гетинакса или текстолита. К деталям, применяемым в данном устройстве, не предъявляются какие-либо особые требования. Естественно, рекомендуется использовать любые малогабаритные конденсаторы и резисторы, которые без проблем можно разместить на печатной плате (рис. 3.3). Рис. 3.3. Печатная плата (а) и расположение элементов (б) металлоискателя на микросхеме К176ЛЕ5. В данном приборе помимо микросхемы К176ЛЕ5 можно использовать микросхемы К176ЛА7, К176ПУ1, К176ПУ2, К561ЛА7, К564ЛА7 или К564ЛН2. Подстроечный резистор R1 может быть типа СП5-2, а переменный резистор R2 – типа СПО-0,5 (вполне подойдут и другие малогабаритные резисторы), конденсатор С6 – типа К50-12 или любой другой на номинальное напряжение не менее 10 В. Остальные конденсаторы могут быть любыми малогабаритными керамическими, например типа КМ-6. Для изготовления катушки L1 рекомендуется использовать отрезок медной или алюминиевой трубки с внутренним диаметром 8-10 мм и длиной около 630 мм. Внутри трубки следует протянуть жгут из 20 отрезков провода ПЭЛШО диаметром 0,5 мм, предварительно протянутых в полихлорвиниловую трубку. Дюралюминиевую трубку с находящимися в ней проводами надо изогнуть по шаблону в кольцо диаметром около 200 мм. Конец провода, являющийся началом первого витка, следует припаять к одному из выводов конденсатора С2, начало второго витка – к концу первого витка и так далее. Конец последнего витка припаивается ко второму выводу конденсатора С2. В результате получится катушка, содержащая 20 витков. При изготовлении катушки L1 нужно особенно следить за тем, чтобы не произошло замыкание концов экранирующей трубки, поскольку в этом случае образуется короткозамкнутый виток. Для изготовления экрана можно использовать и обычную алюминиевую фольгу. В этом случае дополнительную жесткость конструкции катушки L1 можно придать, если расположить ее между двумя дисками из фанеры или гетинакса соответствующих размеров. В качестве источника звуковых сигналов рекомендуется применять любые высокоомные головные телефоны с сопротивлением около 2000 Ом. Подойдет широко известный телефон ТА-4 или ТОН-2. Источником питания В1 может служить батарейка «Крона» или две батарейки типа 3336Л, соединенные последовательно. Печатная плата с расположенными на ней элементами и источник питания размещаются в любом подходящем пластмассовом или деревянном корпусе. На крышке корпуса устанавливаются подстроечный резистор R1 и переменный резистор R2, разъем Х1 для подключения головных телефонов BF1, а также выключатель S1. Поисковая катушка L1 располагается на конце любой удобной ручки. Налаживание. Налаживание рассматриваемого металлоискателя следует проводить в условиях, когда металлические предметы удалены от поисковой катушки L1 на расстояние не менее одного метра. Сначала необходимо настроить рабочие частоты опорного и измерительного генераторов, предварительно установив движки резисторов R1 и R2 в среднее положение. Установку частот желательно контролировать с помощью частотомера или осциллографа. Частота опорного генератора грубо устанавливается регулировкой резистора R1, а более точно – переменным резистором R2. При необходимости можно подобрать емкость конденсатора С1. Перед выполнением этой регулировки потребуется отсоединить соответствующий вывод конденсатора С3 от диодов детектора и от конденсатора С4. Далее, отсоединив соответствующий вывод конденсатора С4 от диодов детектора и от конденсатора С3, подбором емкости конденсатора С2 следует выбрать частоту измерительного генератора так, чтобы ее значение отличалось от частоты опорного генератора примерно на 500-1000 Гц. К сожалению, выбрать более низкую частоту биений для получения высокой чувствительности невозможно по ряду причин. Во-первых, при таких близких частотах двух генераторов возможен «захват» частоты одного генератора другим, что приведет к их взаимной синхронизации. А во-вторых, на сигналы низких частот биений, на которых достигается максимальная чувствительность (например, при частоте биений 1-10 Гц) головные телефоны практически не реагируют. После восстановления всех соединений вращением движка резистора R1 следует добиться наиболее низкого тона в головных телефонах. При появлении помех или сбоев в работе прибора, обусловленных взаимным влиянием генераторов, между выводами 7 и 14 микросхемы IC1 рекомендуется впаять конденсатор емкостью 0,01-0,1 мкФ. Порядок работы. При практическом использовании прибора необходимую частоту сигнала биений следует поддерживать переменным резистором R2. Частота биений может изменяться под влиянием различных факторов (например, при изменении температуры окружающей среды, девиации магнитных свойств грунта или разряде батареи). Если в процессе работы в зоне действия поисковой катушки L1 окажется какой-либо металлический предмет, то частота сигнала в телефонах изменится. При приближении к некоторым металлам частота сигнала биений будет увеличиваться, а при приближении к другим – уменьшаться. По изменению тона сигнала биений, имея определенный опыт, можно легко определить, из какого металла, магнитного или немагнитного, изготовлен обнаруженный предмет. 3.3. Простой металлоискатель на микросхеме К561ЛЕ5. Помимо рассмотренных в предыдущих разделах данной главы металлодетекторов существуют и другие варианты устройств на микросхемах, работа которых основана на принципе биений. Одна из таких конструкций создана на базе металлоискателя, разработанного И. Нечаевым из г. Курска (С подробным описанием прибора И. Нечаева можно ознакомиться в журнале «Радио» № 1 за 1987 год). Принципиальная схема. Как уже упоминалось, рассматриваемый металлодетектор представляет собой один из многочисленных вариантов прибора типа BFO (Beat Frequency Oscillator), то есть является устройством, в основу которого положен принцип анализа биений двух частот. При этом в данной конструкции оценка изменения частоты осуществляется на слух. Основу схемы этого прибора составляют измерительный и опорный генераторы, смеситель и схема акустической индикации (рис. 3.4). Опорный и измерительный генераторы выполнены на элементах микросхемы IC1. Рис. 3.4. Принципиальная схема металлоискателя на микросхеме К561ЛЕ5. Опорный генератор собран на элементе IC1.1. Отрицательная обратная связь по постоянному току между выходом (вывод 3) и входом (выводы 1, 2) данного элемента осуществляется через резистор R1 и катушку индуктивности L1. Параметры катушки L1 и резистора R1 выбраны так, что элемент работает на линейном участке передаточной характеристики. Таким образом создаются условия для возбуждения каскада на частоте примерно 100 кГц, которая определяется параметрами элементов контура L1C1С2C3. Элемент IC1.1 обладает высоким входным сопротивлением, поэтому добротность контура и стабильность частоты генератора сравнительно высоки. Резистор R3 ослабляет шунтирующее влияние выходного сопротивления элемента на контур. При необходимости частоту колебаний опорного генератора можно изменять в небольших пределах конденсатором переменной емкости С2. Измерительный генератор выполнен по аналогичной схеме на элементе IC1.2. При этом рабочая частота данного генератора определяется параметрами элементов контура L2C4С5. Катушка L2 является поисковой. При приближении поисковой катушки L2 колебательного контура перестраиваемого генератора к металлическому предмету ее индуктивность изменяется, что вызывает изменение рабочей частоты генератора. Колебания с опорного и измерительного генераторов поступают на входы элемента IC1.3, выполняющего функции смесителя сигналов. В результате на выходе элемента IC1.3 будут присутствовать не только сигналы основных частот генераторов, но и сигналы гармонических составляющих разностных и суммарных частот. Одним из самых мощных будет сигнал разностной частоты, который выделяется на резисторе R4. Остальные сигналы подавляются фильтром, в состав которого входят резистор R3 и конденсатор C6. Выходной сигнал через регулятор громкости R4 подается непосредственно на головные телефоны BF1. Использовать дополнительный низкочастотный усилитель не требуется, поскольку амплитуда выходного сигнала элемента IC1.3 составляет несколько вольт. Питание на микросхему IC1 подается от источника В1 напряжением 9 В. Детали и конструкция. Для изготовления рассматриваемого металлоискателя можно использовать любую макетную плату. Поэтому к используемым деталям не предъявляются какие-либо ограничения, связанные с габаритными размерами. В статье И. Нечаева рекомендуется расположить детали данного металлодетектора (за исключением поисковой катушки L2, резистора R4, разъема Х1 и выключателя S1) на печатной плате размерами 60х55 мм (рис. 3.5), изготовленной из одностороннего фольгированного гетинакса или текстолита. Рис. 3.5. Печатная плата (а) и расположение элементов (б) металлоискателя на микросхеме К561ЛЕ5. Неиспользуемые входные выводы четвертого элемента микросхемы IC1 необходимо соединить с общим проводом. В данном приборе можно использовать микросхемы серий К176, К561, К564, содержащие не менее трех логических элементов «или – не» или «и – не», например типа К561ЛЕ5, К561ЛА7, К561ЛА9 или К561ЛЕ10. В качестве конденсатора С2 рекомендуется использовать любой конденсатор переменной емкости от малогабаритного радиоприемника. Максимальная емкость этого конденсатора должна быть не менее 150 пФ. Остальные конденсаторы могут быть любыми малогабаритными керамическими, например типа КЛС, КМ или КТ. Необходимо отметить, что для повышения термостабильности устройства конденсаторы С1, С3-С5 должны иметь ТКЕ не хуже М750 или М1500. Постоянные резисторы могут быть любыми малогабаритными, например типа МЛТ-0,125. Переменный резистор R4 может иметь сопротивление от 10 до 68 кОм. При этом в качестве такого регулятора не рекомендуется использовать резисторы, механически соединенные с выключателем питания S1. Катушка L1 контура опорного генератора может быть выполнена на каркасе от катушки контура ПЧ любого малогабаритного транзисторного приемника. Например, в металлодетекторе И. Нечаева эта катушка намотана на трехсекционном каркасе контура ПЧ радиоприемника «Сокол-403». При этом катушка L1 помещена в броневой сердечник диаметром 8,6 мм из феррита 600НН с подстроечником диаметром 2,8 и длиной 12 мм из такого же феррита. Катушка L1 содержит 200 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,09 мм. Для изготовления поисковой катушки L2 рекомендуется использовать отрезок медной или алюминиевой трубки с внутренним диаметром 6–8 мм и длиной около 950 мм. Внутри трубки следует протянуть жгут из 18 отрезков провода МГТФ диаметром 0,07 мм, предварительно протянутых в полихлорвиниловую трубку. Дюралюминиевую трубку с находящимися в ней проводами надо изогнуть по шаблону в кольцо диаметром около 300 мм. Конец провода, являющийся началом первого витка, следует припаять к соответствующему выводу конденсатора С4, начало второго витка – к концу первого витка и так далее. Конец последнего витка припаивается к соответствующему выводу конденсатора С5. В результате получится катушка, содержащая 18 витков и имеющая индуктивность примерно 350 мкГ. При изготовлении катушки L2 нужно особенно следить за тем, чтобы не произошло замыкания концов экранирующей трубки, поскольку в этом случае образуется короткозамкнутый виток. Вместо тонкостенной трубки для изготовления экрана можно использовать и обычную алюминиевую фольгу. В этом случае дополнительную жесткость конструкции катушки L2 можно придать, если расположить ее между двумя дисками из фанеры или гетинакса соответствующих размеров. В качестве источника звуковых сигналов следует использовать высокоомные головные телефоны с возможно большим сопротивлением (около 2000 Ом). Подойдут, например, широко известные телефоны ТА-4 или ТОН-2. При использовании низкоомных телефонов металлоискатель следует дополнить каскадом на транзисторе КТ315Б, установив резистор R3 сопротивлением 10 кОм, а конденсатор С6 – емкостью 1000 пФ. В качестве источника питания В1 можно использовать, например, батарейку «Крона» или две батарейки типа 3336Л, соединенные последовательно. Печатная плата с расположенными на ней элементами и источник питания размещаются в любом подходящем металлическом корпусе. На крышке корпуса устанавливаются переменный резистор R4, разъем Х1 для подключения головных телефонов BF1, разъем Х2 для подключения поисковой катушки L2 и выключатель S1. Налаживание. Как и при регулировке других металлоискателей, налаживание данного прибора следует проводить в условиях, когда металлические предметы удалены от поисковой катушки L2 на расстояние не менее одного метра. Сначала необходимо настроить рабочую частоту опорного генератора. Для этого первоначально частота опорного генератора устанавливается равной рабочей частоте измерительного генератора с помощью регулировки положения подстроечного сердечника катушки L1 до полного пропадания звукового сигнала в головных телефонах, то есть до установки нулевых биений. Предварительно ротор конденсатора С2 следует установить примерно в среднее положение. В результате при незначительном повороте ручки конденсатора С2 в любую сторону в телефонах должен появляться звук низкого тона. При необходимости для настройки частоты опорного генератора можно воспользоваться частотомером или осциллографом. Рекомендуемая разность частот опорного и измерительного генераторов должна составлять 400–500 Гц. При этом частота опорного генератора должна быть выше частоты измерительного генератора. Выбор столь высокого значения разностной частоты объясняется тем, что оба генератора, опорный и измерительный, выполнены на элементах одного общего кристалла микросхемы, и поэтому между ними неизбежно возникают паразитные связи, устранить которые практически невозможно. Этот факт и вынуждает использовать в данном металлоискателе биения частотой более 100–300 Гц, что неизбежно приводит к снижению его чувствительности. Порядок работы. При безошибочном монтаже, исправных деталях и правильной регулировке рассматриваемый металлоискатель готов к работе сразу после окончания настройки. Перед началом поисковых работ конденсатором С2 желательно установить возможно меньшую частоту биений. Это позволит повысить чувствительность прибора, поскольку обеспечит регистрацию даже небольших изменений частоты измерительного генератора. Однако очень низкую частоту биений выбрать не удастся, потому что на ней громкость звука в телефонах резко понизится. Если в процессе работы частота сигнала в головных телефонах изменится, то это свидетельствует о наличии в зоне действия поисковой катушки L2 какого-либо металлического предмета. При приближении катушки к предметам из магнитных металлов (например из железа, феррита или никеля) частота сигнала биений будет увеличиваться, а при приближении к предметам из немагнитных металлов (например из алюминия, меди или латуни) – уменьшаться. По изменению тона сигнала биений, имея определенный опыт, можно легко определить, из какого металла, магнитного или немагнитного, изготовлен обнаруженный предмет. Уровень громкости сигнала в головных телефонах регулируется резистором R4. 3.4. Металлоискатель с повышенной чувствительностью. Одной из особенностей всех металлодетекторов типа BFO (Beat Frequency Oscillator), рассмотренных в предыдущих разделах этой главы, а также некоторых устройств, о которых будет рассказано далее, является то, что опорный и образцовый генераторы этих приборов конструктивно выполнены на элементах одной микросхемы. Следует признать, что помимо определенных достоинств (например простоты схемы, температурной стабилизации) такие конструкции имеют и ряд недостатков. Главным из них является возникновение паразитных связей между отдельными элементами внутри кристалла микросхемы, устранить которые практически невозможно. Именно поэтому в таких металлоискателях приходится выбирать частоту биений более 100–300 Гц, что неизбежно приводит к снижению его чувствительности. Попытка избавить детекторы металлических предметов, работающих на основе анализа сигнала биений, хотя бы от указанных недостатков была предпринята при создании устройства, в основу которого была положена схема, опубликованная в отечественных и зарубежных изданиях в середине 90-х годов прошлого столетия. Принципиальная схема. Предлагаемая конструкция представляет собой один из многочисленных вариантов металлодетекторов типа BFO (Beat Frequency Oscillator), то есть является устройством, в основу которого положен принцип анализа биений двух сигналов, близких по частоте. При этом в данной конструкции оценка изменения частоты биений осуществляется на слух. Основу схемы этого прибора (рис. 3.6) составляют измерительный и опорный генераторы, смеситель, НЧ-фильтр, анализатор и схема акустической индикации. Рис. 3.6. Принципиальная схема металлоискателя с повышенной чувствительностью. Измерительный и опорный генераторы представляют собой два простых LC-генератора, выполненных на элементах микросхем IC1 и IC2. При этом опорный генератор собран на элементе IC1.1, а измерительный или перестраиваемый генератор – на элементе IC2.1. Частота колебаний опорного генератора определяется параметрами элементов его контура, то есть индуктивностью катушки L1 и емкостями конденсаторов С1, С2. Значения указанных параметров выбраны таким образом, чтобы рабочая частота опорного генератора была около 100 кГц. Колебательный контур измерительного генератора образован поисковой катушкой L2 и конденсаторами С3-С5. Рабочая частота этого генератора близка к частоте опорного генератора и может быть незначительно изменена регулировкой конденсатора переменной емкости С3. Элементы IC1.2 и IC2.2 выполняют функцию каскадов, обеспечивающих развязку между генераторами по переменному напряжению. С выходов обоих генераторов сигналы ВЧ подаются на смеситель, выполненный на элементе IC3.1, на выходе которого формируются колебания с суммарными и разностными частотами генераторов и их гармоник, поступающие на схему НЧ-фильтра. В отличие от многих других металлоискателей типа BFO в предлагаемом приборе для выделения сигналов разностной (звуковой) частоты применен фильтр низких частот, который собран на элементах R3 и C6. Далее сигнал НЧ подается на анализатор. Как известно, чувствительность детекторов металлических предметов, оценивающих частоту сигнала биений, в значительной степени зависит от того, сигнал какой самой низшей частоты может быть зарегистрирован данным устройством. Наилучшей чувствительностью обладают металлоискатели, обеспечивающие анализ биения частотой в несколько герц. Однако прослушать такой сигнал непосредственно на головные телефоны невозможно в связи с ограниченным рабочим диапазоном частот телефонных капсюлей. Довольно часто разработчики прибегают к самому простому решению данной проблемы, а именно: просто увеличивают частоту сигнала биений с помощью различных умножителей. Один из вариантов схемы удвоения частоты (точнее, преобразования синусоидального сигнала в последовательность импульсов удвоенной частоты) уже был рассмотрен в предыдущей главе при описании транзисторного металлоискателя с повышенной чувствительностью. В анализаторе рассматриваемого металлодетектора для увеличения частоты сигнала биений применена схема, обеспечивающая преобразование синусоидального (почти треугольного) сигнала в короткие импульсы с удвоенной частотой следования. Для этого используется компаратор напряжения, выполненный на элементах IC3.2-IC3.4. За один период частоты биений компаратор дважды переключается из одного логического состояния в другое, после чего формируемые им прямоугольные импульсы дифференцируются цепью C7R8 и далее через конденсатор С7 подаются на регулятор громкости R8. В результате на головные телефоны BF1, подключенные к разъему Х2, поступают короткие импульсы напряжения удвоенной частоты. Питание прибора осуществляется от источника В1 напряжением 9 В. При этом микросхемы IC1 и IC2 металлоискателя питаются от источника постоянного тока через развязывающие фильтры R6C8 и R7C9. Детали и конструкция. Все детали рассматриваемого металлоискателя (за исключением поисковой катушки L2, резистора R8, конденсатора С3, разъемов Х1 и Х2, а также выключателя S1) расположены на печатной плате размерами 80х60 мм, изготовленной из двустороннего фольгированного гетинакса или текстолита (рис. 3.7). При этом монтаж элементов выполняется со стороны проводников, а фольга с другой стороны играет роль экрана. Рис. 3.7. Печатная плата (а) и расположение элементов (б) металлоискателя с повышенной чувствительностью. К деталям, применяемым в данном устройстве, не предъявляются какие-либо особые требования. Рекомендуется использовать любые малогабаритные конденсаторы и резисторы, которые без проблем можно разместить на печатной плате. Конденсатор С3 должен иметь максимальную емкость 180–240 пФ. Можно использовать любой конденсатор настройки от малогабаритного радиоприемника (например типа КП-180). Для повышения термостабильности желательно, чтобы конденсаторы С1, С2, С4 и С5 имели ТКЕ не хуже М1500. Постоянные резисторы могут быть, например, типа МЛТ-0,125. Микросхемы типа К561ЛЕ5 можно заменить микросхемами К176ЛЕ5, К176ЛА7 или К561ЛА7. Катушка L1 содержит 30 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,08 мм. Для ее намотки рекомендуется использовать каркас от катушки контура ПЧ транзисторного радиоприемника (например, «Альпинист-407» или аналогичного). Поисковая катушка L2 содержит 100 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,6 мм и выполнена в виде тора с внутренним диаметром 240–250 мм. Эту катушку проще изготовить на жестком каркасе, однако можно обойтись и без него. В таком случае в качестве временного каркаса можно использовать любой подходящий по размерам круглый предмет, например банку. Витки катушки наматываются внавал, после чего снимаются с каркаса и экранируются электростатическим экраном, для изготовления которого поверх жгута витков наматывается лента из алюминиевой фольги. Щель между началом и концом намотки ленты (зазор между концами экрана) должна составлять около 10 мм. При изготовлении катушки L2 нужно особенно следить за тем, чтобы не произошло замыкание концов экранирующей ленты, поскольку в этом случае образуется короткозамкнутый виток. Для повышения механической прочности катушку перед экранированием можно пропитать эпоксидным клеем. К выводам катушки следует подпаять проводники двужильного экранированного кабеля длиной около метра, на другом конце которого устанавливается разъем типа СШ-3 или любой другой подходящий малогабаритный разъем. Оплетку кабеля необходимо соединить с экраном катушки. В рабочем положении разъем катушки подключается к ответной части разъема, расположенной на корпусе прибора. Питание металлоискателя с повышенной чувствительностью осуществляется от источника В1 напряжением 9 В. В качестве такого источника можно использовать, например, батарейку «Крона» или две батарейки типа 3336Л, соединенные последовательно. Печатная плата с расположенными на ней элементами и источник питания размещаются в любом подходящем металлическом корпусе. На крышке корпуса устанавливаются конденсатор С3, переменный резистор R8, разъем Х1 для подключения поисковой катушки L2, выключатель S1 и разъем Х2 для подключения головных телефонов BF1. Налаживание. Рассматриваемый металлоискатель следует настраивать в условиях, когда металлические предметы удалены от поисковой катушки L2 на расстояние не менее 1,5 м. Непосредственную настройку прибора нужно начать с выбора нужной частоты биений. Для этого рекомендуется воспользоваться осциллографом или цифровым частотомером. При работе с осциллографом его пробник необходимо подключить к входу НЧ-фильтра (вывод IC3/3). Осциллограмма в этой точке напоминает осциллограмму модулированного ВЧ-сигнала. Далее, подстраивая катушку L1 и при необходимости подбирая емкости конденсаторов С1 и С2, нужно добиться того, чтобы частота модуляции (частота биений) была бы равна примерно 5-10 Гц. При использовании цифрового частотомера для настройки металлоискателя частотомер следует подключить сначала к выводу 1 микросхемы IC3, а затем – к выводу 2 этой же микросхемы. Изменяя параметры указанных ранее элементов (индуктивность катушки L1, емкости конденсаторов С1 и С2), необходимо добиться того, чтобы разность частот сигналов в указанных точках составляла также примерно 5-10 Гц. Подобрать нужную частоту биений можно и без осциллографа и частотомера. В таком случае обычно бывает достаточно настроить рабочую частоту опорного генератора. Для этого к выходу элемента IC3.1 (вывод IC3/3) нужно подключить высокоомные телефоны (например ТОН-2), а затем, регулируя подстроечный сердечник катушки L1, добиться появления в головных телефонах звукового сигнала. При этом ротор конденсатора С3 должен быть установлен в среднее положение. Затем, вращая подстроечный сердечник катушки L1, необходимо установить режим, при котором в телефонах будут прослушиваться щелчки, следующие с частотой в несколько герц. После настройки генератора подстроечный сердечник катушки L1 желательно зафиксировать с помощью капли клея. Далее необходимо настроить компаратор напряжения. Для этого нужно подобрать величину резистора R9, показанного на рис. 3.6 штриховыми линиями. Его сопротивление может быть в пределах от 300 кОм до 1 МОм. Необходимо отметить, что резистор R9 следует включить между выводами 5, 6 элемента IC3.2 и общим проводом при наличии на выходе компаратора (выводы IC3/10,11) напряжения высокого уровня. Порядок работы. При практическом использовании данного прибора следует переменным конденсатором С3 поддерживать необходимую частоту сигнала биений, которая может изменяться под влиянием различных факторов (например при изменении магнитных свойств грунта, температуры окружающей среды или разряде батареи). Если в процессе работы в зоне действия поисковой катушки L2 окажется какой-либо металлический предмет, то частота щелчков в головных телефонах изменится. При приближении к одним металлам она будет увеличиваться, а при приближении к другим – уменьшаться. По изменению частоты щелчков, имея определенный опыт, можно легко определить, из какого металла, магнитного или немагнитного, изготовлен обнаруженный предмет. Громкость щелчков регулируется переменным резистором R8. 3.5. Металлоискатель на микросхеме К176ЛП2. Простой и в то же время надежный и эффективный металлоискатель BFO, работающий по принципу оценки изменений частоты сигнала биений, можно собрать всего на одной микросхеме К176ЛП2. В основу данного прибора была положена конструкция, которую еще в начале 90-х годов прошлого столетия предложил Р. Скетерис из литовского города Паневежис. Принципиальная схема. Отличительной особенностью рассматриваемого детектора металлических предметов является не только применение микросхемы типа К176ЛП2, но также и схемотехнические решения, использованные при разработке генераторов и анализатора (рис. 3.8). При этом в данной конструкции оценка изменения частоты сигнала биений осуществляется на слух. Рис. 3.8. Принципиальная схема металлоискателя на микросхеме К176ЛП2. Основу данного устройства составляют опорный и измерительный генераторы, смеситель и схема акустической индикации. В рассматриваемой конструкции использованы два простых LC-генератора, выполненные на элементах микросхемы IC1. Схемотехнические решения этих генераторов практически идентичны. При этом первый генератор, который является опорным, собран на элементе IC1.1, а второй, измерительный или перестраиваемый генератор, выполнен на элементе IC1.2. Рабочая частота опорного генератора определяется параметрами элементов, образующих его колебательный контур, то есть емкостями конденсаторов С1 и С2, а также индуктивностью катушки L1. В контуре измерительного генератора используются конденсатор С4 и поисковая катушка L2. При этом оба генератора настроены на рабочую частоту примерно 100 кГц. При приближении поисковой катушки L2 колебательного контура перестраиваемого генератора к металлическому предмету ее индуктивность изменяется, что вызывает изменение рабочей частоты генератора. При этом, если вблизи катушки L2 находится предмет из черного металла, ее индуктивность увеличивается, что приводит к уменьшению частоты генератора. Цветной металл уменьшает индуктивность катушки L2, а рабочая частота генератора возрастает. С выходов генераторов колебания ВЧ подаются на соответствующие входы смесителя, выполненного на элементе IC1.3 (выводы IC1/5,6). Нагрузкой смесителя является резистор R5, который одновременно выступает в роли регулятора громкости. Затем сигнал низкой частоты через резистор R6 и конденсатор С8 поступает на усилитель НЧ, собранный на элементе IC1.4, и далее – на головные телефоны BF1. Питание на микросхему IC1 подается от источника В1 напряжением 9 В через фильтр, образованный конденсаторами С10 и С11. Детали и конструкция. Все детали рассматриваемого металлоискателя (за исключением поисковой катушки L2, резистора R5, разъемов Х1 и Х2, а также выключателя S1) размещены на печатной плате размерами 50х50 мм (рис. 3.9), изготовленной из одностороннего фольгированного гетинакса или текстолита. Рис. 3.9. Печатная плата (а) и расположение элементов (б) металлоискателя на микросхеме К176ЛП2. К деталям, применяемым в данном устройстве, не предъявляются какие-либо особые требования. Рекомендуется использовать любые малогабаритные конденсаторы и резисторы, которые без проблем можно разместить на печатной плате. При этом плата рассчитана на установку постоянных резисторов типа МЛТ-0,125 или других малогабаритных (например МЛТ-0,25 или ВС-0,125). Конденсаторы С2-С7 могут быть типа КТ-1, конденсаторы С8-С10 – типа КМ-4 или К10-7В, а конденсатор С11 – типа К50-6. В качестве конденсатора С1 рекомендуется использовать любой конденсатор переменной емкости от малогабаритного радиоприемника (например от транзисторного приемника «Мир»). Можно использовать и подстроечные конденсаторы типа КПК-3 емкостью 25-150 пФ. Максимальная емкость конденсатора С1 должна быть не менее 150 пФ. Переменный резистор R5 может быть любым малогабаритным, однако в качестве такого регулятора не рекомендуется использовать резисторы, механически соединенные с выключателем питания S1. Катушка L1 контура опорного генератора выполнена на каркасе из кольцевого магнитопровода типа 600НН К8х6х2 и содержит 180 витков провода ПЭЛШО диаметром 0,14 мм, которые равномерно наматываются по всему периметру магнитопровода. Поисковая катушка L2 содержит 100 витков провода ПЭЛШО диаметром 0,27 мм и выполнена в виде кольца диаметром 230–250 мм. Эту катушку проще изготовить на жестком каркасе, однако можно обойтись и без него. В таком случае в качестве временного каркаса можно использовать любой подходящий по размерам круглый предмет. Витки катушки наматываются внавал, после чего снимаются с каркаса и с целью повышения механической прочности пропитываются эпоксидным клеем. Затем катушка L2 экранируется электростатическим экраном, представляющим незамкнутую ленту из алюминиевой фольги, намотанную поверх жгута витков. Щель между началом и концом намотки ленты (зазор между концами экрана) должна составлять не менее 15–20 мм. При изготовлении катушки L2 нужно особенно следить за тем, чтобы не произошло замыкание концов экранирующей ленты, поскольку в этом случае образуется короткозамкнутый виток. Для защиты от повреждений фольгу можно обмотать одним-двумя слоями изоляционной ленты. Источником звуковых сигналов могут служить высокоомные головные телефоны типа ТОН-2, ТА-4 или аналогичные. В качестве источника питания В1 можно использовать, например, батарейку «Крона» или две батарейки типа 3336Л, соединенные последовательно. Печатная плата с расположенными на ней элементами и источник питания размещаются в любом подходящем металлическом корпусе. На крышке корпуса устанавливаются переменный резистор R5, разъем Х1 для подключения головных телефонов BF1, разъем Х2 для подключения поисковой катушки L2 и выключатель S1. Налаживание. Данный прибор следует настраивать в условиях, когда металлические предметы удалены от поисковой катушки L2 на расстояние не менее 1,5 м. С помощью частотомера или осциллографа необходимо настроить рабочие частоты опорного и измерительного генераторов. Частота опорного генератора устанавливается равной примерно 100 кГц подбором емкости конденсатора С2 и при необходимости регулировкой сердечника катушки L1. Предварительно ротор конденсатора С1 следует установить примерно в среднее положение. Далее подбором емкости конденсатора С4 частота измерительного генератора выбирается так, чтобы ее значение отличалось от частоты опорного генератора примерно на 500-1000 Гц. На этом процесс настройки прибора заканчивается. Порядок работы. При практическом использовании данного прибора следует переменным конденсатором С1 поддерживать необходимую частоту сигнала биений, которая может изменяться под влиянием различных факторов (например при изменении магнитных свойств грунта, температуры окружающей среды или разряде батареи). Если в процессе работы в зоне действия поисковой катушки L2 окажется какой-либо металлический предмет, то частота сигнала в телефонах изменится. При приближении к одним металлам частота сигнала биений будет увеличиваться, при приближении к другим – уменьшаться. По изменению тона сигнала биений, имея определенный опыт, можно легко определить, из какого металла, магнитного или немагнитного, изготовлен обнаруженный предмет. С помощью данного прибора мелкие предметы (например монету средних размеров) можно обнаружить на глубине до 50 мм, а крышку канализационного люка – на глубине до 0,4 м. 3.6. Металлоискатель на трех микросхемах. В предыдущих разделах данной главы, при рассмотрении конструкций металлодетекторов типа BFO (Beat Frequency Oscillator), в которых опорный и измерительный генераторы были собраны на элементах одной микросхемы, уже отмечались недостатки, свойственные подобным схемотехническим решениям. В первую очередь к ним относится возникновение паразитных связей между отдельными элементами внутри кристалла микросхемы, устранить которые практически невозможно. Именно поэтому в таких металлоискателях приходится выбирать частоту биений более 100–300 Гц, что неизбежно приводит к снижению чувствительности прибора. Поэтому все более популярными становятся устройства, работающие на основе анализа сигнала биений, в которых опорный и измерительный генераторы собраны на отдельных микросхемах. Принципиальная схема. Предлагаемый прибор представляет собой один из вариантов металлодетекторов типа BFO (Beat Frequency Oscillator), то есть является устройством, в основу которого положен принцип анализа биений двух сигналов, близких по частоте. При этом в данной конструкции оценка изменения частоты биений осуществляется на слух. Основу данного устройства (рис. 3.10) составляют опорный и измерительный генераторы, согласующие каскады, смеситель и схема акустической индикации. Рис. 3.10. Принципиальная схема металлоискателя на трех микросхемах. В рассматриваемой конструкции в качестве опорного и измерительного генераторов использованы два простых LC-генератора. Схемотехнические решения этих генераторов практически идентичны. При этом опорный генератор собран на элементах IC1.1 и IC1.2 микросхемы IC1, а второй, измерительный или перестраиваемый, генератор выполнен на элементах IC2.1 и IC2.2 микросхемы IC2. Рабочая частота опорного генератора определяется параметрами элементов, образующих его колебательный контур, то есть емкостями конденсаторов С1, С3, С5 и С6, а также индуктивностью катушки L1. В контуре измерительного генератора используются конденсаторы С2, С4, С7, С8 и поисковая катушка L2. При этом оба генератора настроены на рабочую частоту примерно 300 кГц. Каскады, выполненные на элементах IC1.3 и IC2.3, обеспечивают развязку между генераторами по переменному напряжению, а также ослабляют влияние смесителя на генераторы. С выходов буферных каскадов сигналы ВЧ через конденсаторы С11 и С12 подаются на смеситель и далее на усилитель колебаний разностной частоты, которые выполнены на микросхеме IC3. Затем сигнал биений поступает на головные телефоны BF1. При этом конденсатор С15 обеспечивает фильтрацию высокочастотной составляющей сигнала. Питание на микросхемы подается от источника В1 напряжением 9 В через фильтр, образованный конденсаторами С16 и С17. При приближении поисковой катушки L2 колебательного контура перестраиваемого генератора к металлическому предмету ее индуктивность изменяется, что вызывает изменение рабочей частоты генератора. Если вблизи катушки L2 находится предмет из магнитного металла, ее индуктивность увеличивается, что приводит к уменьшению частоты генератора. Цветной металл уменьшает индуктивность катушки L2, а рабочая частота генератора возрастает. По изменению частоты сигнала биений в головных телефонах можно сделать вывод о появлении в зоне действия поисковой катушки металлического предмета, а по увеличению или понижению тона – из какого металла изготовлен обнаруженный предмет. Детали и конструкция. Все детали рассматриваемого металлоискателя (за исключением поисковой катушки L2, разъемов Х1 и Х2, а также выключателя S1) расположены на печатной плате размерами 60х50 мм (рис. 3.11), изготовленной из одностороннего фольгированного гетинакса или текстолита. Рис. 3.11. Печатная плата (а) и расположение элементов (б) металлоискателя на трех микросхемах. К деталям, применяемым в данном устройстве, не предъявляются какие-либо особые требования. Рекомендуется использовать любые малогабаритные конденсаторы и резисторы, которые без проблем можно разместить на печатной плате. При этом плата рассчитана на установку постоянных резисторов типа МЛТ-0,125 или других малогабаритных (например МЛТ-0,25 или ВС-0,125). Конденсаторы С2, С5-С7 и С8 могут быть типа КТ-1, конденсаторы С3, С4, С9-С12, С15 и С16 – типа КМ-4 или К10-7В, а конденсаторы С13 и С17 – типа К50-6. В качестве конденсатора С1 рекомендуется использовать любой конденсатор переменной емкости от малогабаритного радиоприемника (например, от транзисторного приемника «Планета»). Можно использовать и подстроечные конденсаторы типа КПК-3 емкостью 25-150 пФ. Максимальная емкость конденсатора С1 должна быть не менее 200 пФ. Катушка L1 контура опорного генератора выполнена на каркасе из кольцевого магнитопровода типа 600НН К8х6х2 и содержит 50 витков провода ПЭЛШО диаметром 0,2 мм, которые равномерно наматываются по всему периметру магнитопровода. Поисковая катушка L2 содержит 50 витков провода ПЭЛШО диаметром 0,27 мм и выполнена в виде кольца диаметром 180–220 мм. Эту катушку проще изготовить на жестком каркасе, однако можно обойтись и без него. В таком случае в качестве временного каркаса можно использовать любой подходящий по размерам круглый предмет. Витки катушки наматываются внавал, после чего снимаются с каркаса и с целью повышения механической прочности пропитываются эпоксидным клеем. Затем катушка L2 экранируется электростатическим экраном, представляющим незамкнутую ленту из алюминиевой фольги, намотанную поверх жгута витков. Щель между началом и концом намотки ленты (зазор между концами экрана) должна составлять не менее 15–20 мм. При изготовлении катушки L2 нужно особенно следить за тем, чтобы не произошло замыкание концов экранирующей ленты, поскольку в этом случае образуется короткозамкнутый виток. Для защиты от повреждений фольгу можно обмотать одним-двумя слоями изоляционной ленты. Источником звуковых сигналов могут служить высокоомные головные телефоны типа ТОН-2, ТА-4 или аналогичные. В качестве источника питания В1 можно использовать, например, батарейку «Крона» или две батарейки типа 3336Л, соединенные последовательно. Печатная плата с расположенными на ней элементами и источник питания размещаются в любом подходящем металлическом корпусе. На крышке корпуса устанавливаются: разъем Х1 для подключения головных телефонов BF1, разъем Х2 для подключения поисковой катушки L2 и выключатель S1. Налаживание. Данный металлоискатель следует настраивать в условиях, когда металлические предметы удалены от поисковой катушки L2 на расстояние не менее 1,5 м. Непосредственная настройка прибора заключается в выборе нужной частоты биений. Для этого рекомендуется воспользоваться осциллографом или цифровым частотомером. В первую очередь следует установить частоту опорного генератора, контролируя ее значение на выводе 10 микросхемы IC1. Частота опорного генератора устанавливается равной примерно 300 кГц подбором емкостей конденсаторов С5 и С6, а также, при необходимости, регулировкой сердечника катушки L1. Предварительно ротор конденсатора С1 следует установить примерно в среднее положение. Далее, подбирая емкость конденсатора С2, следует установить частоту измерительного генератора, контролируя ее значение на выводе 10 микросхемы IC2. При этом частота измерительного генератора выбирается так, чтобы ее значение отличалось от частоты опорного генератора примерно на 500-1000 Гц. На этом процесс настройки прибора заканчивается. Порядок работы. Практическое использование рассматриваемого металлодетектора не имеет существенных отличий от порядка работы с другими устройствами BFO, в которых оценка наличия металлического предмета в зоне действия поисковой катушки осуществляется на слух. Если в процессе работы в зоне действия поисковой катушки L2 окажется какой-либо металлический предмет, то частота сигнала биений в головных телефонах изменится. При приближении к одним металлам частота сигнала будет увеличиваться, при приближении к другим – уменьшаться. По изменению тона сигнала биений, имея определенный опыт, можно легко определить, из какого металла, магнитного или немагнитного, изготовлен обнаруженный предмет. Переменным конденсатором С1 поддерживается необходимая частота сигнала биений, которая может изменяться под влиянием различных факторов (например при изменении магнитных свойств грунта, температуры окружающей среды или разряде батареи). С помощью данного прибора мелкие предметы (например монету средних размеров) можно обнаружить на глубине до 60–70 мм, а крышку канализационного люка – на глубине до 0,5 м. 3.7. Металлоискатель с кварцевой стабилизацией. В последнее время на прилавках радиорынков можно найти всевозможные конструкторы или наборы комплектующих деталей, приобретя которые любой желающий без особых усилий быстро соберет простейший металлодетектор. В процессе работы над данной книгой автор имел удовольствие ознакомиться с несколькими детско-юношескими конструкторами, которые можно рекомендовать и взрослым. Основой для одного из таких наборов послужила схема металлодетектора, впервые опубликованная в конце 80-х годов прошлого столетия и после этого с различными изменениями и дополнениями не раз публиковавшаяся в различных отечественных и зарубежных изданиях. Принципиальная схема. Рассматриваемый металлодетектор представляет собой один из многочисленных вариантов прибора типа BFO (Beat Frequency Oscillator), то есть является устройством, в основу которого положен принцип анализа биений двух частот. При этом в данной конструкции оценка изменения частоты осуществляется на слух. Как известно, в определенной степени повысить чувствительность металлоискателя типа BF0 можно, если выбрать значение частоты опорного генератора в 5-10 раз больше, чем значение частоты измерительного генератора. В этом случае оценивается изменение частоты биений, которые возникают между колебаниями основной частоты опорного генератора и ближайшей по частоте гармоникой частоты измерительного генератора. В результате изменение частоты измерительного генератора под влиянием внешних воздействий всего на 10 Гц приводит к увеличению частоты разностных колебаний на 50-100 Гц. Таким образом, при выборе частоты измерительного генератора в пределах 100–200 кГц частота опорного генератора должна составлять 500-2 000 кГц. Необходимо отметить, что частота опорного генератора должна быть стабилизирована. Основу схемы этого прибора (рис. 3.12) составляют измерительный и опорный генераторы, буферные каскады, смеситель и схема акустической индикации. Рис. 3.12. Принципиальная схема металлоискателя с кварцевой стабилизацией. Опорный генератор выполнен на элементах IC1.1 и IC1.2 микросхемы IC1, его рабочая частота стабилизирована кварцевым резонатором Q1 (1 МГц). Измерительный или перестраиваемый генератор выполнен на элементах IC2.1 и IC2.2 микросхемы IC2. Рабочая частота этого генератора определяется параметрами элементов, образующих его колебательный контур, то есть емкостями конденсаторов С2, С3 и варикапа D1, а также индуктивностью катушки L1. При этом изменение емкости варикапа D1 осуществляется с помощью переменного резистора R2. Рабочая частота измерительного генератора находится в пределах 200–500 кГц. Катушка L1 колебательного контура перестраиваемого генератора является поисковой катушкой. При приближении к металлическому предмету индуктивность катушки изменяется, что приводит к изменению рабочей частоты генератора и соответственно к изменению частоты биений. Каскады, выполненные на элементах IC1.3 и IC2.3, обеспечивают развязку между генераторами по переменному напряжению, а также ослабляют влияние смесителя на генераторы. С выходов буферных каскадов сигналы ВЧ подаются на смеситель, выполненный на элементе IC1.4. Далее сигнал биений поступает на головные телефоны BF1. При этом конденсатор С10 обеспечивает фильтрацию высокочастотной составляющей сигнала. Питание на схему подается от источника В1 напряжением 9 В через фильтр, образованный конденсаторами С8 и С9. Детали и конструкция. Все детали рассматриваемого прибора (за исключением поисковой катушки L1, резистора R2, разъемов Х1 и Х2, а также выключателя S1) расположены на печатной плате размерами 50х50 мм (рис. 3.13), изготовленной из одностороннего фольгированного гетинакса или текстолита. Рис. 3.13. Печатная плата (а) и расположение элементов (б) металлоискателя с кварцевой стабилизацией. К деталям, применяемым в данном устройстве, не предъявляются какие-либо особые требования. Рекомендуется использовать любые малогабаритные конденсаторы и резисторы, которые без проблем можно разместить на печатной плате. При этом плата рассчитана на установку постоянных резисторов типа МЛТ-0,125 или других малогабаритных (например МЛТ-0,25 или ВС-0,125). Конденсаторы С2, С3, С5 и С7 могут быть типа КТ-1, конденсаторы С4, С7, С8 и С10 – типа КМ-4 или К10-7В, а конденсатор С9 – типа К50-6. Переменный резистор R2 может быть любым малогабаритным, однако в качестве такого регулятора не рекомендуется использовать резисторы, механически соединенные с выключателем питания S1. Кварцевый резонатор Q1 смонтирован на отдельной плате из стеклотекстолита, закрепленной параллельно основной со стороны деталей. Его частота может быть любой в пределах 0,5–1,8 МГц. Однако в том случае, если будет использоваться кварц с частотой резонанса больше 1 МГц, в некоторых источниках рекомендуется между выходом буферного элемента IC2.3 (вывод IC2/10) и соответствующим входом смесителя на элементе IC1.4 (вывод IC1/13) включить делитель частоты, понижающий образцовую частоту до 0,5–1 МГц. Такой делитель можно выполнить на микросхеме серии К176 или К561. Поисковая катушка L1 содержит 50 витков провода ПЭЛШО диаметром 0,27 мм и выполнена в виде кольца диаметром 180–220 мм. Эту катушку проще изготовить на жестком каркасе, однако можно обойтись и без него. В таком случае в качестве временного каркаса можно использовать любой подходящий по размерам круглый предмет. Витки катушки наматываются внавал, после чего снимаются с каркаса и с целью повышения механической прочности пропитываются эпоксидным клеем. Затем катушка L1 экранируется электростатическим экраном, представляющим незамкнутую ленту из алюминиевой фольги, намотанную поверх жгута витков. Щель между началом и концом намотки ленты (зазор между концами экрана) должна составлять не менее 15–20 мм. При изготовлении катушки L1 нужно особенно следить за тем, чтобы не произошло замыкание концов экранирующей ленты, поскольку в этом случае образуется короткозамкнутый виток. Для защиты от повреждений фольгу можно обмотать одним-двумя слоями изоляционной ленты. Источником звуковых сигналов могут служить высокоомные головные телефоны типа ТОН-2, ТА-4 или аналогичные. В качестве источника питания В1 можно использовать, например, батарейку «Крона» или две батарейки типа 3336Л, соединенные последовательно. Печатная плата с расположенными на ней элементами и источник питания размещаются в любом подходящем металлическом корпусе. На крышке корпуса устанавливаются переменный резистор R2, разъем Х1 для подключения головных телефонов BF1, разъем Х2 для подключения поисковой катушки L1 и выключатель S1. Налаживание. Данный прибор следует настраивать в условиях, когда металлические предметы удалены от поисковой катушки L1 на расстояние не менее 1,5 м. Процесс настройки металлоискателя заключается в настройке измерительного генератора на частоту 100–200 кГц, что осуществляется подбором величины емкости конденсатора С2. При этом движок переменного резистора R2 должен находиться в среднем положении. Частота измерительного генератора контролируется частотомером на выходе элемента IC1.3 (вывод IC1/10). Контроль правильности выбранного значения частоты измерительного генератора осуществляется прослушиванием сигнала разностной частоты в головных телефонах. Этот сигнал должен быть достаточно громким при возможно большем соотношении частот опорного и измерительного генераторов. При необходимости для оценки амплитуды сигнала биений можно использовать осциллограф. Порядок работы. При практическом использовании данного прибора следует переменным резистором С1 поддерживать необходимую частоту сигнала биений, которая может изменяться под влиянием различных факторов (например при изменении магнитных свойств грунта, температуры окружающей среды или разряде батареи). Если в процессе работы в зоне действия поисковой катушки L1 окажется какой-либо металлический предмет, то частота сигнала в телефонах изменится. При приближении к одним металлам частота сигнала биений будет увеличиваться, при приближении к другим – уменьшаться. По изменению тона сигнала биений, имея определенный опыт, можно легко определить, из какого металла, магнитного или немагнитного, изготовлен обнаруженный предмет. С помощью данного прибора мелкие предметы (например монету средних размеров) можно обнаружить на глубине до 80-100 мм, а крышку канализационного люка – на глубине до 55–65 см. 3.8. Простой импульсный металлоискатель. В последнее время сравнительно широкое распространение получили импульсные металлоискатели типа PI (Puis Induction), в которых для оценки наличия металлических предметов в зоне поиска используется явление возникновения вихревых поверхностных токов в металлическом предмете под воздействием внешнего электромагнитного поля. В металлодетекторах типа PI импульсный сигнал подается на передающую катушку, в которой инициируется переменное электромагнитное поле. При появлении в зоне действия этого поля металлического предмета на его поверхности периодически, под воздействием импульсного сигнала, возникают вихревые токи. Эти токи и являются источником вторичного сигнала, который принимается приемной катушкой. Благодаря явлению самоиндукции форма вторичного сигнала будет отличаться от формы излученного передающей катушкой импульса. При этом отличия в параметрах вторичного импульсного сигнала и используются для анализа с последующим формированием данных для блока индикации. Во всех известных автору импульсных металлодетекторах оценивается изменение формы заднего фронта вторичного импульса. О достоинствах и недостатках импульсных детекторов металлических предметов коротко было рассказано в первой главе предлагаемой книги. Следует признать, что с каждым годом количество различных схемотехнических решений металлоискателей типа PI значительно увеличивается. Однако ограниченный объем данного издания не позволяет подробно рассмотреть даже самые интересные конструкции. Поэтому автор решил ознакомить читателей лишь с несколькими приборами этого типа. В рассматриваемом в этом разделе устройстве используется микропроцессор с соответствующим программным обеспечением. К сожалению, к моменту издания этой книги опубликовать на 100 % работоспособную версию его прошивки не представилось возможным. Поэтому заинтересованные и подготовленные читатели имеют возможность проверить свои силы в создании прошивки для микроконтроллера. Автор ни секунды не сомневается в том, что российские умельцы с честью справятся с этой задачей. Тем не менее, по мнению автора, конструкция предлагаемого металлоискателя достаточно сложна для повторения начинающими радиолюбителями. Также следует упомянуть и о сложностях, возникающих при регулировке этого устройства. Необходимо особо обратить внимание на то, что ошибки при монтаже и некорректная настройка прибора могут привести к выходу из строя дорогостоящих элементов. Принципиальная схема. Принципиальную схему предлагаемого простого импульсного металлоискателя условно можно разделить на две части, а именно: на блок передатчика и блок приемника. К сожалению, ограниченный объем данной книги не позволяет подробно остановиться на всех особенностях схемотехнических решений, использованных при создании данного прибора. Поэтому далее будут рассмотрены основы функционирования лишь наиболее важных узлов и каскадов. В состав блока передатчика (рис. 3.14) входят модуль формирования импульсов и синхронизации, сам передатчик, а также преобразователь напряжения. Рис. 3.14. Принципиальная схема блока передатчика простого импульсного металлоискателя. Главной составной частью всей конструкции является модуль формирования импульсов и синхронизации, выполненный на микропроцессоре IC1 типа АТ89С2051 фирмы ATMEL и обеспечивающий формирование импульсов для передатчика, а также сигналов, управляющих работой всех остальных блоков. Рабочая частота микроконтроллера IC1 стабилизирована кварцевым резонатором (3,5 МГц). При указанном значении рабочей частоты микропроцессор формирует периодическую последовательность управляющих импульсов для различных каскадов металлодетектора. Эта последовательность состоит из 250 тактов длительностью по 9 мкс каждый. Первоначально на выводе IC1/14 микропроцессора формируется управляющий импульс для транзистора Т6, после окончания которого на выводе IC1/15 формируется аналогичный импульс для транзистора Т7. Затем этот процесс повторяется еще один раз. В результате происходит запуск преобразователя напряжения. Далее, последовательно на выводах IC1/8, IC1/7, IC1/6, IC1/16, IC1/17, IC1/19 и IC1/18 формируются импульсы запуска передатчика. При этом указанные импульсы имеют одинаковую длительность, но каждый последующий импульс задержан относительно предыдущего на несколько тактов. Начало первого импульса, сформированного на выводе IC1/8, совпадает с окончанием второго импульса на выводе IC1/15. С помощью переключателя Р1 можно выбрать время задержки импульса запуска передатчика по отношению к стартовому импульсу. Через несколько тактов после окончания импульса на выводе IC1/18 короткий стробирующий импульс для одного из каналов анализатора формируется на выводе IC1/3. Затем аналогичный импульс, предназначенный для второго канала анализатора, формируется на выводе IC1/9. После этого на выводе IC1/11 формируется управляющий сигнал для транзистора Т10 схемы акустической сигнализации блока приемника. Затем, после небольшой паузы, последовательность управляющих импульсов на соответствующих выходах микроконтроллера формируется вновь. Питающее напряжение +5 В, предварительно стабилизированное микросхемой IC2, подается на вывод IC1/20 микроконтроллера. Преобразователь напряжения, выполненный на транзисторах Т6-Т8 и стабилизаторе IC3, обеспечивает формирование двуполярного питающего напряжения 12 В, необходимого для питания каскадов приемной части. Управляющие сигналы для транзисторов Т7 и Т8 формируются на соответствующих выводах микроконтроллера IC1. При этом на транзистор Т8 этот сигнал подается через преобразователь уровня, собранный на транзисторе Т6. Далее сформированное питающее напряжение стабилизируется микросхемой IC3, с выхода которой напряжение +12 В поступает на каскады приемной части. Выходные каскады передатчика выполнены на мощных транзисторах Т1, Т2 и Т3, работающих на общую нагрузку, в качестве которой выступает катушка L1, шунтированная цепочкой резисторов R1-R6. Работой транзисторов выходного каскада управляет транзистор Т4. Управляющий сигнал на базу транзистора Т4 подается с соответствующего выхода процессора IC1 через транзистор Т5. Импульс, формируемый микропроцессором IC1 в соответствии с заложенной в его памяти программой, через переключатель подается на вход транзистора Т5 и далее, через транзистор Т4, на выходные каскады передатчика, выполненные на транзисторах Т1-Т3, а затем – на приемопередающую катушку L1. При появлении в зоне действия катушки L1 металлического предмета на его поверхности под воздействием внешнего электромагнитного поля, инициированного импульсом передатчика, возбуждаются вихревые поверхностные токи. Время существования этих токов зависит от длительности импульса, излучаемого катушкой L1. В свою очередь поверхностные токи являются источником вторичного импульсного сигнала, который с соответствующей задержкой принимается катушкой L1, усиливается и подается на схему анализа. Необходимо отметить, что благодаря явлению самоиндукции длительность вторичного сигнала будет больше, чем длительность излученного передающей катушкой импульса. При этом форма вторичного импульса зависит от свойств металла, из которого изготовлен обнаруженный предмет. Обработка информации об отличиях параметров импульсов, излученных и принятых катушкой L1, обеспечивает формирование данных для блока индикации о наличии металлического предмета. В рассматриваемом металлоискателе для анализа используются параметры заднего фронта вторичного импульсного сигнала. В состав блока приемника (рис. 3.15) входят двухкаскадный усилитель входного сигнала, анализатор и схема звуковой индикации. Рис. 3.15. Принципиальная схема блока приемника простого импульсного металлоискателя. Сигнал от металлического предмета принимается катушкой L1 и через схему защиты, выполненную на диодах D1 и D2, подается на входной двухкаскадный усилитель с емкостной обратной связью, выполненный на операционных усилителях IC4 и IC5. С выхода микросхемы IC5 (вывод IC5/6) усиленный импульсный сигнал подается на схему анализатора, выполненную на микросхемах IC6-IC8. Усилители IC6 и IC7 в процессе работы прибора постоянно выключены, и напряжение питания подается на них лишь при поступлении на соответствующие входы (выводы IC6/8 и IC7/8) стробирующих импульсов, длительность каждого из которых составляет 9 мкс (один такт). При этом на усилитель IC6 подается стробирующий импульс, задержанный по отношению к окончанию выбранного импульса запуска передатчика на 30-100 мкс, а на усилитель IC7 – задержанный по отношению к окончанию первого стробирующего импульса на 200 мкс. Необходимость такой задержки объясняется тем, что форма принятого сигнала зависит от влияния многих посторонних факторов, поэтому полезный сигнал можно наблюдать лишь в промежутке примерно 400 мкс после окончания импульса. В данном случае полезным сигналом является возрастание положительного напряжения при приближении катушки L1 к металлическому предмету в результате увеличения длительности заднего фронта вторичного импульса в сравнении с излученным импульсом. По окончании подачи напряжения питания на выходах каждого усилителя (микросхемы IC6 и IC7) в течение нескольких секунд сохраняется уровень принятого сигнала, зафиксированный во время воздействия стробирующих импульсов. Таким образом на один из входов соответствующего усилителя (выводы IC6/3 и IC7/3) подается принятый импульсный сигнал, а на второй вход этого же усилителя (выводы IC6/8 и IC7/8) через конденсаторы С34 и С35 поступает соответствующий стробирующий импульс от модуля формирования импульсов и синхронизации (выводы IC1/3 и IC1/9). Сигналы, сформированные на выходах микросхем IC6 и IC7 (выводы IC6/5 и IC7/5), далее подаются на соответствующие входы дифференциального усилителя, выполненного на микросхеме IC8. При этом сигнал с выхода усилителя IC6 проходит через переменный резистор R45, с помощью которого регулируется чувствительность прибора. При наличии в зоне действия металлодетектора металлического предмета уровни сигналов на соответствующих входах дифференциального усилителя (выводы IC8/2 и IC8/3) будут одинаковыми. В результате выходной сигнал этого усилителя (вывод IC8/6) будет низким. Падение напряжения на выходе усилителя IC8 приводит к открытию транзистора Т9 и подключению к общему проводу головных телефонов BF1. При поступлении с соответствующего выхода микроконтроллера (вывод IC1/11) на транзистор Т10 управляющего сигнала в телефонах будет прослушиваться сигнал звуковой частоты. Резистор R44 ограничивает ток, протекающий через головные телефоны BF1. Его подбором можно регулировать громкость акустического сигнала. Питание данного металлодетектора осуществляется от источника В1 напряжением 12 В. Детали и конструкция. Все детали рассматриваемого прибора (за исключением поисковой катушки L1, резистора R45, переключателя Р1, а также выключателя S1) расположены на печатной плате размерами 105х65 мм (рис. 3.16), изготовленной из двустороннего фольгированного гетинакса или текстолита. Рис. 3.16. Печатная плата простого импульсного металлоискателя. К деталям, применяемым в данном устройстве, не предъявляются какие-либо особые требования. Рекомендуется использовать любые малогабаритные конденсаторы и резисторы, которые без проблем можно разместить на печатной плате (рис. 3.17). Рис. 3.17. Расположение элементов простого импульсного металлоискателя. Микросхему типа LF357 (IC4) можно заменить на LM318 или NE5534, однако в результате такой замены могут возникнуть проблемы с налаживанием. В качестве усилителя IC5 помимо указанной на схеме микросхемы типа LF356 можно использовать микросхему CA3140. Микросхемы типа LF398 (IC6, IC7) без проблем заменяются на MAC198. Вместо усилителя CA3140 (IC8) можно применить микросхему TL071. В качестве транзисторов Т1-Т3, помимо указанных на принципиальной схеме, можно использовать транзисторы типа BU2508, BU2515 или ST2408. Рабочая частота кварцевого резонатора должна составлять 3,5 МГц. Однако можно использовать любой другой кварцевый элемент с частотой резонанса от 2 до 6 МГц. Для монтажа микропроцессора IC1 следует использовать специальную панельку. При этом микроконтроллер устанавливается на плату только после окончания всех монтажных работ. Данное условие необходимо соблюдать и при проведении регулировочных работ, связанных с выполнением пайки при подборе величин отдельных элементов. Особое внимание следует уделить изготовлению катушки L1, индуктивность которой должна составлять 500 мкГ. Катушка L1 выполнена в виде кольца диаметром 250 мм и содержит 30 витков провода диаметром не более 0,5 мм. При использовании провода большего диаметра ток в катушке возрастет, однако еще быстрее будут расти значения паразитных вихревых токов, что приведет к ухудшению чувствительности прибора. Для изготовления катушки не рекомендуется использовать лакированный провод, поскольку разность потенциалов между соседними витками при излучении импульса достигает 20 В. Если в процессе намотки витков катушки рядом окажутся проводники, например первого и пятого витков, пробой изоляции практически обеспечен. Это может привести к выходу из строя транзисторов передатчика и других элементов. Поэтому провод, используемый при изготовлении катушки L1, должен быть хотя бы в полихлорвиниловой изоляции. Готовую катушку также рекомендуется хорошо изолировать. Для этого можно воспользоваться эпоксидной смолой или различными пенными наполнителями. Катушку L1 следует подключать к плате с помощью двужильного хорошо изолированного провода, диаметр каждой жилы которого должен быть не меньше диаметра провода, из которого изготовлена сама катушка. Не рекомендуется использовать коаксиальный кабель из-за его значительной собственной емкости. Источником звуковых сигналов могут служить либо головные телефоны с сопротивлением от 8 до 32 Ом, либо малогабаритный громкоговоритель с аналогичным сопротивлением катушки. В качестве источника питания В1 рекомендуется использовать аккумуляторную батарею емкостью около 2 А/ч, поскольку величина тока, потребляемого данным металлоискателем, – не менее 200 мА. Печатная плата с расположенными на ней элементами и источник питания размещаются в любом подходящем корпусе. На крышке корпуса устанавливаются переменный резистор R45, переключатель P1, разъемы для подключения головных телефонов BF1 и катушки L1, а также выключатель S1. Налаживание. Данный прибор следует настраивать в условиях, когда любые металлические предметы удалены от поисковой катушки L1 на расстояние не менее 1,5 м. Особенность настройки и регулировки рассматриваемого металлоискателя заключается в том, что его отдельные блоки и каскады подключаются постепенно. При этом каждая операция подключения (пайка) выполняется при отключенном источнике питания. В первую очередь требуется проверить наличие и величину питающего напряжения на соответствующих контактах панельки микросхемы IC1 в отсутствие микроконтроллера. Если напряжение питания в норме, то далее следует установить на плату микропроцессор и с помощью частотомера или осциллографа проверить сигнал на выводах IC1/4 и IC1/5. Частота пилот-сигнала на указанных выводах должна соответствовать рабочей частоте используемого кварцевого резонатора. После подключения транзисторов преобразователя напряжения (без нагрузки) потребляемый ток должен возрасти на 50 мА. Напряжение на конденсаторе С10 в отсутствие нагрузки должно составлять около 20 В. Затем следует подключить каскады передатчика. Режимы работы транзисторов Т1-Т4 должны быть одинаковыми и устанавливаются подбором величин резисторов R13-R16. Сопротивление катушки L1, зашунтированной резисторами R1-R3, должно составлять примерно 500 Ом. При этом выводы катушки и резисторов должны быть хорошо пропаяны, поскольку нарушение контакта в этой цепи влечет за собой выход из строя выходных транзисторов передатчика. Для проверки работоспособности каскадов передатчика можно придержать катушку L1 возле уха и включить питание металлоискателя. Примерно через полсекунды (после обнуления микроконтроллера) можно будет услышать сигнал низкого тона, возникновение которого обусловлено микровибрацией отдельных витков катушки. При этом на коллекторах транзисторов Т1-Т3 будет сформирован немодулированный остроконечный импульс длительностью около 10–20 мкс, форму которого можно проконтролировать с помощью осциллографа. Увеличение сопротивления резисторов R1-R3 приводит к возрастанию амплитуды выходного импульса с уменьшением его длительности. Для подбора величины сопротивления шунта катушки L1 не рекомендуется использовать переменный резистор, поскольку даже кратковременное нарушение контакта движка с токопроводящей дорожкой может привести к выходу из строя выходных транзисторов передатчика. Поэтому желательно постепенно изменять величину шунта с шагом 50 Ом. Перед заменой деталей напряжение питания прибора нужно обязательно выключать. Далее можно приступать к налаживанию приемной части. Если все детали исправны, а монтаж выполнен безошибочно, то после включения металлодетектора (примерно через 20 мкс после окончания стартового импульса) на выходе микросхемы IC4 (вывод IC4/6) с помощью осциллографа можно будет наблюдать экспоненциально возрастающий сигнал, переходящий в сигнал постоянного уровня. Искажения фронта этого сигнала устраняются подбором резисторов R1-R3, шунтирущих катушку L1. После этого следует проконтролировать форму и амплитуду сигнала на выходе микросхемы IC5 (вывод IC5/6). Максимальная амплитуда этого сигнала устанавливается подбором величины резистора R36. На выходе микросхемы IC6 (вывод IC6/5) должен формироваться постоянный сигнал, зависящий от импульса, выбранного с помощью переключателя P1, а также от наличия в зоне действия катушки L1 металлических предметов. В идеальном варианте этот сигнал должен быть близким к нулю при всех положениях переключателя P1. В заключение остается правильно установить положение образцового измерительного импульса по отношению к стартовому импульсу. Для этого достаточно подбором кварцевого резонатора Q1 выбрать подходящую рабочую частоту. Порядок работы. Перед практическим использованием данного металлоискателя следует переключателем P1 установить минимальную задержку импульса, а резистором R45 – максимальную чувствительность. Если в процессе работы в зоне действия поисковой катушки L1 окажется металлический предмет, то в головных телефонах появится акустический сигнал. Необходимо отметить, что переход в режим работы с большей задержкой импульса обеспечит исключение влияния не только магнитных свойств грунта, но и избавит от реакции прибора на всевозможные посторонние предметы (ржавые гвозди, фольга от сигаретных пачек и т. п.) и последующих напрасных поисков. 3.9. Усовершенствованный импульсный металлоискатель. Как и металлоискатели других типов, металлодетекторы типа PI (Puis Induction), постоянно совершенствуются. В результате применения новых схемотехнических решений удается добиться еще более высокой чувствительности этих приборов. Так, например, можно улучшить чувствительность детектора металлических предметов, описанного в предыдущем разделе. По мнению автора, конструкция предлагаемого прибора, как и рассмотренного в предыдущем разделе металлоискателя, достаточно сложна для повторения начинающими радиолюбителями. К тому же определенные сложности могут возникнуть при регулировке этого устройства. Необходимо особо обратить внимание на то, что ошибки при монтаже и некорректная настройка прибора могут привести к выходу из строя дорогостоящих элементов. В рассматриваемом в этом разделе устройстве используется микропроцессор с соответствующим программным обеспечением. К сожалению, к моменту издания этой книги опубликовать на 100 % работоспособную версию прошивки не представилось возможным. Поэтому заинтересованные и подготовленные читатели имеют возможность проверить свои силы в создании прошивки для микроконтроллера. Принципиальная схема. Принципиальную схему предлагаемого усовершенствованного импульсного металлоискателя можно условно разделить на две части, а именно: на блок передатчика и блок приемника. К сожалению, ограниченный объем данной книги не позволяет подробно остановиться на всех особенностях схемотехнических решений, использованных при создании этого прибора. Поэтому далее будут рассмотрены основы функционирования лишь наиболее важных узлов и каскадов. Как уже упоминалось, данный металлодетектор является усовершенствованным вариантом прибора, рассмотренного в предыдущем разделе этой главы. Определенные изменения коснулись модуля формирования импульсов и синхронизации, передатчика и преобразователя напряжения. Схема блока приемника претерпела более значительные изменения (рис. 3.18). Рис. 3.18. Принципиальная схема блока передатчика усовершенствованного импульсного металлоискателя. В состав блока передатчика входят модуль формирования импульсов и синхронизации, сам передатчик, а также преобразователь напряжения. Главной составной частью всей конструкции является модуль формирования импульсов и синхронизации, выполненный на микропроцессоре IC1 типа АТ89С2051 фирмы ATMEL и обеспечивающий формирование импульсов для передатчика, а также сигналов, управляющих работой всех остальных блоков. Рабочая частота микроконтроллера IC1 стабилизирована кварцевым резонатором (6 МГц). При указанном значении рабочей частоты микропроцессор формирует периодическую последовательность управляющих импульсов для различных каскадов металлодетектора. Первоначально на выводе IC1/14 микропроцессора формируется управляющий импульс для транзистора Т6, после окончания которого на выводе IC1/15 формируется аналогичный импульс для транзистора Т7. Затем этот процесс повторяется еще раз. В результате происходит запуск преобразователя напряжения. Далее, последовательно на выводах IC1/8, IC1/7, IC1/6, IC1/17, IC1/16 и IC1/18 формируются импульсы запуска передатчика. При этом указанные импульсы имеют одинаковую длительность, но каждый последующий импульс задержан относительно предыдущего на несколько тактов. Начало первого импульса, сформированного на выводе IC1/8, совпадает с серединой второго импульса на выводе IC1/15. С помощью переключателя Р1 можно выбрать время задержки импульса запуска передатчика по отношению к стартовому импульсу. Через несколько тактов после окончания импульса на выводе IC1/18 короткий стробирующий импульс для усилителя-анализатора формируется на выводе IC1/2. В отличие от ранее рассмотренной схемы в данном приборе на этом же выводе микроконтроллера через несколько тактов формируется второй стробирующий импульс. Помимо этого на выводах IC1/12 и IC1/13 микропроцессора формируются управляющие сигналы для транзисторов Т31 и Т32 блока приемника. Середина управляющего импульса для транзистора Т31 совпадает с серединой первого стробирующего импульса на выводе IC1/2, однако длительность импульса на выводе IC1/12 почти в два раза больше. При этом указанный импульс имеет отрицательную полярность. Начало управляющего импульсного сигнала на выводе IC1/13 почти совпадает с серединой второго импульса на выводе IC1/14 микроконтроллера, заканчивается же он через несколько тактов после окончания второго стробирующего импульса, формируемого на выводе IC1/2. Затем на выводе IC1/11 формируется управляющий сигнал для транзистора Т35 схемы акустической сигнализации блока приемника. После небольшой паузы последовательность управляющих импульсов на соответствующих выходах микроконтроллера формируется вновь. Питающее напряжение +5 В, предварительно стабилизированное микросхемой IC2, подается на вывод IC1/20 микроконтроллера. Преобразователь напряжения, выполненный на транзисторах Т6-Т8 и стабилизаторе IC3, обеспечивает формирование питающего напряжения +5 В, необходимого для питания каскадов приемной части. Управляющие сигналы для транзисторов Т7 и Т8 формируются на соответствующих выводах микроконтроллера IC1, при этом на транзистор Т8 этот сигнал подается через преобразователь уровня, собранный на транзисторе Т6. Далее сформированное питающее напряжение стабилизируется микросхемой IC3, с выхода которой напряжение +5 В поступает на каскады приемника. Выходные каскады передатчика выполнены на мощных транзисторах Т1, Т2 и Т3, работающих на общую нагрузку, в качестве которой выступает катушка L1, шунтированная цепочкой резисторов R1-R6. Работой транзисторов выходного каскада управляет транзистор Т4. Управляющий сигнал на базу транзистора Т4 подается с соответствующего выхода процессора IC1 через транзистор Т5. Как и в рассмотренном в предыдущем разделе металлодетекторе, импульс, формируемый микропроцессором IC1 в соответствии с заложенной в его памяти программой, через переключатель подается на вход транзистора Т5 и далее, через транзистор Т4, на выходные каскады передатчика, выполненные на транзисторах Т1-Т3, а затем – на приемопередающую катушку L1. При появлении в зоне действия катушки L1 металлического предмета на его поверхности под воздействием внешнего электромагнитного поля, инициированного импульсом передатчика, возбуждаются вихревые поверхностные токи. Время существования этих токов зависит от длительности импульса, излучаемого катушкой L1. Поверхностные токи являются источником вторичного импульсного сигнала, который принимается катушкой L1, усиливается и подается на схему анализа. Благодаря явлению самоиндукции длительность вторичного сигнала будет больше, чем длительность излученного передающей катушкой импульса. При этом форма вторичного импульсного сигнала зависит от свойств материала, из которого изготовлен обнаруженный металлический предмет. Обработка информации об отличиях параметров импульсов, излученных и принятых катушкой L1, обеспечивает формирование данных для блока индикации о наличии металлического предмета. В состав блока приемника (рис. 3.19) входят двухкаскадный усилитель входного сигнала, усилители образцового сигнала, усилитель-анализатор, активный узкополосный фильтр, фильтр низкой частоты, схема формирования напряжения смещения, схемы коммутации и схема звуковой индикации. Рис. 3.19. Принципиальная схема блока приемника усовершенствованного импульсного металлоискателя. Сигнал от металлического предмета принимается катушкой L1 и через схему защиты, выполненную на диодах D1 и D2, подается на входной двухкаскадный усилитель с емкостной обратной связью, выполненный на операционных усилителях IC31 и IC32. С выхода микросхемы IC32 (вывод IC32/6) усиленный импульсный сигнал подается на усилитель-анализатор, выполненный на микросхеме IC33. В процессе работы прибора усилитель IC33 постоянно выключен, а напряжение питания подается на него лишь при поступлении на соответствующий вход (вывод IC33/8) стробирующих импульсов. По окончании подачи напряжения питания на выходе усилителя (вывод IC33/5) в течение нескольких секунд сохраняется уровень принятого сигнала, зафиксированный во время воздействия стробирующих импульсов. Время сохранения уровня сигнала зависит от емкости конденсатора С65. Таким образом, на один вход усилителя (вывод IC33/3) подается принятый импульсный сигнал, а на второй вход (вывод IC33/8) через конденсаторы С64 поступает соответствующий стробирующий импульс от модуля формирования импульсов и синхронизации (вывод IC1/2). Далее выделенный сигнал проходит через активный фильтр, выполненный на элементе IC34a и настроенный на частоту 6 МГц. Для достижения указанных на принципиальной схеме параметров отдельных элементов данного фильтра рекомендуется использовать параллельное включение резисторов и конденсаторов. Так, например, значение указанной на схеме емкости конденсатора С67 (0,044 мкФ) достигается параллельным включением двух конденсаторов емкостью 0,022 мкФ каждый. Необходимо отметить, что при использовании кварцевого элемента Q1 с рабочей частотой, отличающейся от 6 МГц, величины отдельных элементов фильтра следует пересчитать. С выхода фильтра сигнал подается на синхронный детектор, на входе которого установлен инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления 1, выполненный на элементе IC34b. При этом с помощью замыкания соответствующих пар контактов микросхемы IC37 (выводы IC37/1,2 и IC37/3,4) осуществляется переключение отрицательного сигнала, подаваемого на интегрирующую цепочку с конденсатором С71. Управляющие сигналы для микросхемы IC37 формируются каскадами, выполненными на транзисторах Т31-Т33. С выхода интегрирующей цепочки импульсный сигнал проходит на вход усилительного каскада, который выполнен на микросхеме IC35 и одновременно выполняет функции фильтра низких частот. Падение напряжения на выходе операционного усилителя (вывод IC35/6) приводит к открытию транзистора Т34 и подключению к общему проводу головных телефонов BF1. При поступлении с соответствующего выхода микроконтроллера (вывод IC1/11) на транзистор Т35 управляющего сигнала в телефонах будет прослушиваться сигнал звуковой частоты. Резистор R77 ограничивает ток, протекающий через головные телефоны BF1. Его подбором можно регулировать громкость акустического сигнала. Сигнал с вывода IC35/6 также подается на вход другого операционного усилителя (вывод IC36/2), задачей которого является обнуление выходного сигнала. Его использование объясняется тем, что на выходе микросхемы IC33 изменяющийся во времени выходной сигнал будет формироваться и в отсутствие в зоне действия поисковой катушки L1 металлических предметов, поэтому амплитуда результирующего сигнала будет отлична от нуля. С помощью резистора R86 на вход второго усилительного каскада (вывод IC32/2) подается напряжение смещения именно в момент поступления первого стробирующего импульса. Необходимый уровень напряжения смещения зависит от уровня выходного сигнала на выводе IC35/6, его формирование обеспечивается с помощью интегрирующей цепочки С73, R78-R80 и усилительного каскада на микросхеме IC36. Цепь формирования напряжения смещения функционирует лишь во время замыкания соответствующих контактов микросхемы IC37 (выводы IC37/9,8). Длительность этого временного отрезка составляет три такта. При этом управляющие сигналы для микросхемы IC37 поступают с каскадов, выполненных на транзисторах Т31-Т33. Таким образом обеспечивается выравнивание уровней сигналов, сформированных в моменты поступления первого и второго стробирующих импульсов. Нажатием кнопки S2 время процесса обнуления можно значительно сократить. Детали и конструкция. Все детали рассматриваемого прибора (за исключением поисковой катушки L1, переключателя Р1, выключателя S1 и кнопки S2) расположены на печатной плате (рис. 3.20) размерами 95х65 мм, изготовленной из двустороннего фольгированного гетинакса или текстолита. Рис. 3.20. Печатная плата усовершенствованного импульсного металлоискателя. К деталям, применяемым в данном устройстве, не предъявляются какие-либо особые требования. Рекомендуется использовать любые малогабаритные конденсаторы и резисторы, которые без проблем можно разместить на печатной плате. Необходимо отметить, что для достижения указанных на принципиальной схеме параметров отдельных элементов следует использовать параллельное включение резисторов и конденсаторов (рис. 3.21). На печатной плате для размещения таких элементов предусмотрено дополнительное место. Рис. 3.21. Расположение элементов усовершенствованного импульсного металлоискателя. Микросхемы типа LF356 (IC31, IC32) можно заменить на LM318 или NE5534, однако в результате такой замены могут возникнуть проблемы с налаживанием. В качестве усилителя IC35, помимо указанной на схеме микросхемы типа IL071, можно использовать микросхемы CA3140, ОР27 или ОР37. Микросхема типа R061 (IC36) без проблем заменяется на CA3140. В качестве транзисторов Т1-Т3 помимо указанных на принципиальной схеме можно использовать транзисторы типа BU2508, BU2515 или ST2408. Рабочая частота кварцевого резонатора должна составлять 6 МГц. Можно использовать любой другой кварцевый элемент с частотой резонанса от 2 до 6 МГц. Однако в таком случае потребуется пересчитать параметры элементов фильтра, выполненного на элементе IC34a. Для монтажа микропроцессора IC1 следует использовать специальную панельку. При этом микроконтроллер устанавливается на плату только после окончания всех монтажных работ. Данное условие необходимо соблюдать и при проведении регулировочных работ, связанных с выполнением пайки при подборе величин отдельных элементов. Особое внимание следует уделить изготовлению катушки L1, индуктивность которой должна составлять 500 мкГ. Конструкция этой катушки практически ничем не отличается от конструкции поисковой катушки L1, использованной в металлодетекторе, рассмотренном в предыдущем разделе. Она выполнена в виде кольца диаметром 250 мм и содержит 30 витков провода диаметром не более 0,5 мм. При использовании провода большего диаметра ток в катушке возрастет, однако еще быстрее будут расти значения паразитных вихревых токов, что приведет к ухудшению чувствительности прибора. Следует напомнить, что для изготовления катушки L1 не рекомендуется использовать лакированный провод, поскольку разность потенциалов между соседними витками при излучении импульса достигает 20 В. Если в процессе намотки витков катушки рядом окажутся проводники, например первого и пятого витков, пробой изоляции практически обеспечен. В свою очередь, это может привести к выходу из строя транзисторов передатчика и других элементов. Поэтому провод, используемый при изготовлении катушки L1, должен быть хотя бы в полихлорвиниловой изоляции. Готовую катушку также рекомендуется хорошо изолировать. Для этого можно воспользоваться эпоксидной смолой или различными пенными наполнителями. Катушку L1 следует подключать к плате с помощью двужильного хорошо изолированного провода, диаметр каждой жилы которого должен быть не меньше диаметра провода, из которого изготовлена сама катушка. Не рекомендуется использовать коаксиальный кабель из-за его значительной собственной емкости. Источником звуковых сигналов могут служить либо головные телефоны с сопротивлением от 8 до 32 Ом, либо малогабаритный громкоговоритель с аналогичным сопротивлением катушки. В качестве источника питания В1 рекомендуется использовать аккумуляторную батарею емкостью около 2 А/ч, поскольку ток, потребляемый данным металлоискателем, превышает 200 мА. Печатная плата с расположенными на ней элементами и источник питания размещаются в любом подходящем корпусе. На крышке корпуса устанавливаются переключатель P1, разъемы для подключения головных телефонов BF1 и катушки L1, а также выключатель S1 и кнопка S2. Налаживание. Данный прибор следует настраивать в условиях, когда любые металлические предметы удалены от поисковой катушки L1 на расстояние не менее 1,5 м. Особенность настройки и регулировки рассматриваемого металлоискателя заключается в том, что его отдельные блоки и каскады подключаются постепенно. При этом каждая операция подключения (пайка) выполняется при отключенном источнике питания. В первую очередь требуется проверить наличие и величину питающего напряжения на соответствующих контактах панельки микросхемы IC1 в отсутствие микроконтроллера. Если это напряжение в норме, то далее следует установить на плату микропроцессор и с помощью частотомера или осциллографа проверить сигнал на выводах IC1/4 и IC1/5. Частота пилот-сигнала на указанных выводах должна соответствовать рабочей частоте используемого кварцевого резонатора. После подключения транзисторов преобразователя напряжения (без нагрузки) потребляемый ток должен возрасти примерно на 50 мА. Напряжение на конденсаторе С10 в отсутствие нагрузки не должно превышать 20 В. Затем следует подключить каскады передатчика. Режимы работы транзисторов Т1-Т4 должны быть одинаковыми и устанавливаются подбором величин резисторов R13-R16. Сопротивление катушки L1, зашунтированной резисторами R1-R3, должно составлять примерно 500 Ом. При этом выводы катушки и резисторов должны быть хорошо пропаяны, поскольку нарушение контакта в этой цепи влечет за собой выход из строя выходных транзисторов передатчика. Для проверки работоспособности каскадов передатчика можно придержать катушку L1 возле уха и включить питание металлоискателя. Примерно через полсекунды (после обнуления микроконтроллера) можно будет услышать сигнал низкого тона, возникновение которого обусловлено микровибрацией отдельных витков катушки. При этом на коллекторах транзисторов Т1-Т3 будет сформирован немодулированный остроконечный импульс длительностью около 10–20 мкс, форму которого можно проконтролировать с помощью осциллографа. Увеличение сопротивления резисторов R1-R3 приводит к возрастанию амплитуды выходного импульса с уменьшением его длительности. Для подбора величины сопротивления шунта катушки L1 не рекомендуется использовать переменный резистор, поскольку даже кратковременное нарушение контакта движка с токопроводящей дорожкой может вывести из строя выходные транзисторы передатчика. Поэтому желательно постепенно изменять величину шунта с шагом 50 Ом. Перед заменой деталей следует обязательно выключить напряжение питания прибора. Далее можно приступать к настройке приемной части. Если все детали исправны, а монтаж выполнен безошибочно, то после включения металлодетектора (примерно через 20 мкс после окончания стартового импульса) на выходе микросхемы IC31 (вывод IC31/6) с помощью осциллографа можно наблюдать экспоненциально возрастающий сигнал, переходящий в сигнал постоянного уровня. Искажения фронта этого сигнала устраняются подбором резисторов R1, R2 и R3, шунтирующих катушку L1. После этого следует проконтролировать форму и амплитуду сигнала на выходе микросхемы IC32 (вывод IC32/6). Максимальная амплитуда этого сигнала устанавливается подбором величины резистора R64. В процессе налаживания напряжение смещения на вывод IC32/2 можно подавать с отдельного делителя напряжения, в качестве которого можно использовать переменный резистор номиналом 5-50 кОм, включенный, например, между выводами IC32/4,7. Движок потенциометра подключается к резистору R86. На выходе микросхемы IC33 (вывод IC33/5) можно наблюдать прямоугольный сигнал, амплитуда которого регулируется временно подключенным потенциометром. Далее необходимо проконтролировать сигналы на выходах элементов IC34a и IC34b. При этом на выводах IC34/6,7 должны быть правильные синусоиды. В результате на конденсаторе С71 формируется постоянное напряжение, которое поступает на вход микросхемы IC35. В процессе настройки можно наблюдать реакцию прибора на изменение положения движка временно подключенного потенциометра, после чего вместо него следует впаять делитель R84, R85. Порядок работы. Порядок работы с детектором металлических предметов не имеет существенных отличий от использования металлодетектора, рассмотренного в предыдущем разделе. Перед практическим использованием данного металлоискателя следует переключателем P1 установить минимальную задержку импульса. Если в процессе работы в зоне действия поисковой катушки L1 окажется какой-либо металлический предмет, то в головных телефонах появится акустический сигнал. Переход в режим работы с большей задержкой импульса обеспечит исключение влияния не только магнитных свойств грунта, но и избавит от реакции прибора на всевозможные посторонние предметы (ржавые гвозди, фольгу от сигаретных пачек и т. п.) и последующего напрасного поиска.