4.2 Расчет синхронного детектора

Синхронный детектор выполнен на мультиплексоре DA3 и интегрирующей цепочки R8, C2. Постоянная времени интегрирующей цепи R8, C2, на которой происходит выделение полезного сигнала, должна быть согласована с длительностью импульса сигнала. Длительность этого импульса есть ширина временного окна t_w измерения. Примем среднее значение t_w=10 мкс. Таким образом

.

(4.11)

Из ряда номиналов Е24 выберем R8=1 кОм и С2=10 нФ.

Управление мультиплексором будет осуществлять микроконтроллер, согласно установленным временным параметрам.

4.3 Расчет полосового фильтра

Так как металлодетектор должен реагировать только на движущиеся объекты и не замечать «фон» от постоянно присутствующих в поле обнаружения металлических предметов, постоянная составляющая полезного сигнала не должна усиливаться приемным трактом. В этих целях последовательно R11 и R14 включены конденсаторы соответственно C3 и С5. Величина этих конденсаторов зависит от периода повторения зондирующих импульсов и определяет минимальную скорость движения объекта поиска через арку металлодетектора, при которой еще происходит обнаружение.

Верхняя полоса приемного тракта должна быть ограничена частотой в 100Гц, для того чтобы отфильтровать шумы и исключить ложные срабатывания.

Зададимся минимальной скоростью прохода арки металлодетектора или в метрах в секунду. При такой скорости движения проносимый через арку металлодетектора металлический предмет создаст на входеDA4.1 импульс, длительностью равный

,

(4.12)

где –ширина прохода в направлении движения. Основываясь на факте о том, что за три постоянных времени конденсатор в RC-цепочке заряжается до величины входного воздействия, примем постоянную времени цепочек R13, C6 и R14, C5 равными:

.

(4.13)

Так как функции резисторов R13, R14, R19 и R20 аналогичны функциям R3, R6, R7 и R5 во входном усилителе, то номиналы их берутся равными т.е. для R13 и R14 по 10 кОм, а для R19 и R20 по 200 кОм соответственно. Рассчитаем значения С9 и С6:

.

(4.14)

Из ряда E12 возьмем емкость этих конденсаторов равной 100 мкФ.

Рассчитаем номиналы емкостей С5, С11 исходя из верхней граничной частоты, которая была ранее выбрана равной 100 Гц [5].

.

(4.15)

Из ряда E12 возьмем емкость конденсаторов 0,15 мкФ. Так сигнал на выходе приемной части металлодетектора может быть ниже уровня “земли”, то для обеспечения работы АЦП в пределах нижнего и верхнего уровня опорного напряжения (соответственно Vref- = 0В и Vref+ = 5В) на неинвертирующий вход DA5.2 подано смещение 2,5 В с помощью резистивных делителей. Величина этих резисторов принята равной 330 кОм.

4.4 Выбор элементов обвязки микросхем

Обоснуем выбор параметров элементов, подключаемых к микроконтроллеру. Частота задающего кварцевого резонатора ZQ1 для микроконтроллера выбрана равной 11,0592 MHz. Для выбора номиналов конденсаторов С7 и С8 обратимся к фирменной документации ATMEL [7]. Согласно [7] емкости этих конденсаторов составляют 22 пФ.

Для вывода микроконтроллера из состояния сброса на его вывод RESET должен быть подан высокий логический уровень напряжения. В этих целях вывод MCLR подтянут к питанию резистором R16, сопротивление которого 10 кОм.

На разъем XS4 через DD2 выведены все необходимые сигналы для передачи данных на ПК через интерфейс USB и программирования микроконтроллера по интерфейсу JTAG, эмулируемому данной микросхемой. Это позволяет программировать и отлаживать устройство в готовой схеме. Данный подход упрощает процесс обновления «прошивки» микроконтроллера и снижает время отладки кода на этапе разработки, так как не требуется извлекать микросхему из устройства и помещать ее в программатор каждый раз при перепрограммировании.

Включение драйверов IR2101 также является типовым и приведено в [10]. Примем С1=С3=0,1 мкФ. В цепи затворов VT1,VT2, VT3 и VT4 рекомендовано включение низкоомных токоограничивающих резисторов. Примем R1=R2=R11=R12=27 Ом.

Необходимость применения резистора R13 – снижение добротности генераторной рамки, тем самым подавление колебательных процессов, возникающие после формирования импульса тока.

Для формирования прямоугольных импульсов напряжения на затворах транзисторов VT1,VT2,VT3 и VT4 диоды VD1 и VD4 должны быть высокочастотными (в данном устройстве использовались диоды BAS 16 JU/A6). С7 – накопительный конденсатор, обеспечивает формирование импульса тока. Для расчета его емкости зададимся допустимым относительным уровнем пульсаций 10%. При напряжении питания 12 В абсолютный уровень пульсаций U=1,2 В. При длительности импульса накачки t_н и средней величине тока I_ср U может быть рассчитан по следующей формуле:

.

(4.16)

Из (4.11) величину С7 можно вычислить по формуле:

.

(4.17)

Для I_ср=4 А (пиковое значение, деленное пополам) и t_н=100 мкс значение С7 равно:

.

(4.18)

Примем С7=2200 мкФ.