3.4 Принцип работы схемы. Временные диаграммы

На рисунке 3.4 представлены временные диаграммы, поясняющие принцип работы металлодетектора. U₁₁ и U₁₂ – напряжения на затворах транзисторов VT1, VT4 и VT2, VT3. Открывая поочередно соответствующую пару транзисторов на время t_н , мы формируем в генераторной рамке разнополярные треугольные импульсы тока. Так как после окончания действия импульса t_w ток в рамке не может прекратиться мгновенно, формируется индуктивный выброс напряжения (график – U_L), величина которого ограничивается, как было сказано выше, защитными стабилитронами, входящими в состав транзисторов. Таким образом рассасывается (рекуперирует) энергия, накопления в индуктивности. Излучающееся при этом магнитное поле создает в металлических предметах вихревые индукционные токи. В свою очередь, постепенно затухая, эти токи создают переизлученное магнитное поле, которое можно регистрировать. По характеру переизлученного поля можно судить о свойствах обнаруживаемого предмета. В массивных металлических предметах вихревые токи затухают дольше, поэтому по затягиванию заднего фронта импульса принятого сигнала можно судить о массе проносимого предмета.

Рисунок 3.4 – Временные диаграммы работы металлодетектора

Обнаруженческие способности данного метода тем выше, чем круче задний фронт импульса тока в генераторной рамке, так как магнитное поле создается изменяющимся во времени током, и чем выше скорость изменения тока, тем интенсивней создается поле. Дополнительная сложность, которая была обнаружена при проведении экспериментов – экспоненциально-затухающие колебательные процессы, возникающие после прекращения действия отпирающего транзисторы импульса, которые делали метод практически неэффективным. Для снижения добротности генераторной и приемной рамки и подавления затухающих колебаний используются резисторы R1 и R13. На следующих двух рисунках представлены осциллограммы напряжения на выходе первого каскада усиления при отсутствии в поле металлодетектора металлических предметов – рисунок 3.5 – и при внесении в поле массивной металлической пластины – рисунок 3.6. Можно заметить, что характер переходных процессов достаточно ярко выражен. Осциллограммы получены с помощью цифрового осциллографа BORDO 421.

Рисунок 3.5 – Осциллограммы напряжения на выходе первого каскада усиления при отсутствии в поле металлодетектора металлических предметов

Рисунок 3.6 – Осциллограммы напряжения на выходе первого каскада усиления при внесении в поле металлодетектора металлической пластины

4 Расчет функциональных узлов

4.1 Расчет входного усилителя

Здесь и далее расчеты ведутся по методикам [4,5,6]. Примем минимальный уровень U_min обнаруживаемого сигнала в приемной рамке равным 1 мкВ, что будет соответствовать младшему разряду 10-битного результата аналогово-цифрового преобразования. Разница между Vref- и Vref+ составляет 5 В, следовательно младшему биту результата преобразования соответствует уровень напряжения U_minADC, равный:

.

(4.1)

С учетом вышесказанного сквозной коэффициент усиления приемного тракта должен быть равен:

.

(4.2)

Распределим общий коэффициент усиления между тремя каскадами поровну. Получим:

,

(4.3)

где K1, K2 и K3 соответственно коэффициенты усиления каскадов на DA2, DA5.

DA2.1 включен по неинвертирующей схеме. Коэффициент усиления такой схемы определяется следующей формуле:

,

(4.4)

где Ко – коэффициент усиления усилителя без цепи ООС. Так как собственный коэффициент усиления имеет порядка миллиона то им можно пренебречь, тогда формула (4.4) приобретает вид:

.

(4.5)

DA2.2 включен по инвертирующей схеме. Коэффициент усиления такого каскада равен:

,

(4.6)

где Ко – коэффициент усиления усилителя без цепи ООС. Так как собственный коэффициент усиления имеет порядка миллиона то им можно пренебречь, тогда формула (4.6) приобретает вид:

.

(4.7)

Так как сопротивление приемной рамки порядка двух Ом, то входное сопротивление должно быть примерно в десять раз больше. Входное сопротивление схемы определяется в основном резистором R1, возьмем его номинал из ряда E24 200 Ом. Для того чтобы входное сопротивление каскада на DA1.2 не влияло на входное сопротивление выберем номиналы резисторов R3 и R5 10 кОм. Теперь можно рассчитать остальные элементы входного усилителя по формулам (4.5) и (4.7)

.

(4.8)

Примем ближайший номинал R6 из ряда Е24 – 200 кОм.

.

(4.9)

Из ряда Е24 выберем величину этого резистора равной 200 кОм.

Рассчитаем номиналы резисторов R2 и R4, они необходимы для предотвращения разбалансировки входов ОУ.

.

(4.10)

Из ряда Е24 выберем величину этого резистора равной 10 кОм.

На этом расчет входного усилителя можно считать законченным.