Импульсный металлоискатель «Hammerhead» от Карла Морленда

Схема металлоискателя с импульсно-индукционным детектором как базовая конструкция для дальнейшего развития

Американец Карл Морленд считается одним из самых маститых специалистов в области проектирования и промышленного производства металлоискателей. Работая главным инженером в компаниях "White's Electronics" и "First Texas" (Fisher/Teknetics) и являясь автором большого количества изобретений и патентов, он неизменно занимается популяризацией металлодетекторной тематики как на разного рода интернет-ресурсах, так и в печатных изданиях, самым известным из которых стал многократно переизданный бестселлер «Inside The Metal Detector».

В рамках данной страницы приведём перевод основных выдержек из его большой статьи, посвящённой схемотехнике импульсного металлоискателя «Hammerhead». С авторским оригиналом данной публикации (в PDF-формате) можно познакомиться по ссылке – Карл Морленд – Pulse Induction Metal Detector.

«Hammerhead» — это конструкция металлодетектора с импульсно-индукционным детектором. Она предназначена в первую очередь как учебная платформа для экспериментаторов и как базовая конструкция для дальнейшего развития.
Эта конструкция очень похожа на другие коммерческие ИУ детекторы, которые, как правило, имеют схожую схемотехнику, поэтому она обладает потенциалом для хорошей производительности.
Металлодетекторы, как правило, не являются простыми проектами, особенно индукционные балансные, и обычно их производительность значительно уступает даже самым недорогим коммерческим моделям. Три цели для этой конструкции: сделать ее простой в сборке, сделать ее гибкой и получить достойную производительность.
Индукционный импульс — хороший выбор для проекта «сделай сам», потому что схема проста, а «моно» катушки легко изготовить. Также очень мало критически важных внутренних настроек — то есть, несложно заставить схему в принципе работать — хотя конечная производительность будет сильно зависеть от ряда настроек параметров. Этот проект включает в себя компоновку простой односторонней печатной платы с использованием распространенных компонентов для монтажа в отверстия, а также гораздо меньшей двухсторонней печатной платы для поверхностного монтажа для тех, у кого есть опытный паяльник.

Гибкость достигается за счет нескольких вариантов сборки. К ним относятся:
• Пассивное или активное отключение MOSFET (только для монтажа в отверстия);
• Поддержка универсального предусилителя для NE5534, LM318 и других;
• Однотактный или дифференциальный интегратор;
• Аудиосигнал VCO (voltage controlled oscillator) или без VCO;
• Дополнительные контактные площадки вокруг элементов на плате для проведения экспериментов (только для монтажа в отверстия).

Эта конструкция также позволяет изменять большинство важных параметров схемы:
• Частота импульсов передачи;
• Ширина импульса передачи;
• Задержка выборки интегратора;
• Ширина импульса выборки интегратора;
• Задержка выборки вторичного интегратора;
• Пороговое значение;
• Чувствительность;
• Скорость автослежения;
• Громкость.

Любой или все эти параметры могут быть также установлены на фиксированные значения, что упрощает интерфейс управления. Различные варианты конструкции и регулировки параметров будут описаны по ходу работы.

Схемы


Рис.1 Блок-схема импульсного металлоискателя

Упрощенная схема схемы показана на Рис.1. Ее можно разделить на пять секций: источник питания, тактирование, передний и задний каскады передачи и приема, задний каскад приема и аудио. Каждая секция может быть собрана и протестирована последовательно.
Осциллограф полезен для проверки схемы, чтобы увидеть, что происходит, но это не является абсолютно необходимым, при условии, что схема собрана правильно. Необходим цифровой мультиметр (DMM).

Схема описанного металлоискателя на первый взгляд кажется сложной из-за всех вариантов, которые были предусмотрены. Однако варианты конструкции на самом деле не добавляют много сложности и позволяют использовать различные конфигурации и сравнивать характеристики.
Упрощенные схемы будут показаны в описаниях вариантов подключения.

Источник питания

Питание для Hammerhead обеспечивается одним 12-вольтовым батарейным блоком, предпочтительно из 8 батареек типа AA. Можно использовать 9-вольтовый блок, но это сократит срок службы батареи, и даже можно использовать 9-вольтовую батарейку, но это значительно сократит срок службы батареи, при условии, что на катушке переключателя используется соответствующий контур питания (я расскажу об этом позже). Сочетание схемы поверхностного монтажа с 9-вольтовой батареей для транзисторного радиоприемника позволяет получить очень компактный детектор, идеально подходящий для использования в качестве ручного зонда.

Рис.3 Схема источника питания металлоискателя

Источник питания (Рис.3) состоит из удвоителя напряжения и трёх стабилизаторов.
Удвоитель напряжения, построенный на основе микросхемы питания 7660 (IC1), генерирует напряжение, примерно вдвое превышающее напряжение батареи.
На данном этапе проще всего представить напряжения питания, рассматривая положительную сторону батареи как «землю», отрицательную сторону батареи как «минус-шину» (-VB), а выход удвоителя напряжения как «плюс-шину» (+VB), см. рис.4. Схема обозначена таким образом, при котором батарея подключена между землей и «-VB».

Рис.4 Структурная схема ИП

Стабилизатор 7805 (IC2) вырабатывает +5 вольт на выходе удвоителя напряжения и используется в качестве положительного источника питания для аналоговых операционных усилителей. Имеется два стабилизатора напряжения 7905, один для питания операционного усилителя (аналогового) -5 В (IC3), и один для питания цифрового сигнала -5 В (IC4).
Отдельный цифровой стабилизатор используется для того, чтобы помочь изолировать цифровой шум от чувствительного к шуму аналогового тракта.
Удвоение напряжения с помощью 7660 достигается за счет использования “зарядового насоса”, который должен тактироваться. Обычно 7660 используется со своим внутренним тактовым генератором, который работает на частоте около 10 кГц, но он также имеет опцию переопределения внутреннего тактового генератора внешним. Используя внешний тактовый генератор, мы можем гарантировать, что шум переключения источника питания синхронизирован с дискретизацией.
Резистор R37 и конденсатор C11 соединяют тактовый сигнал с 7660 для этой цели. К сожалению, 7660 уменьшает частоту внешнего тактового сигнала вдвое, и при самой низкой тактовой частоте это может привести к низкой эффективности.
R37 и C11 можно опустить, и 7660 будет работать на своем внутреннем генераторе.

Передающий/приёмный тракт


Рис.5 Генератор, передатчик, усилитель, формирователь импульсов

Генератор основного тактового сигнала — это таймер 555 (IC5), подключенный как автоколебательный генератор (рис. 5). Генератор 555 имеет два регулятора. Резистор R2 изменяет частоту основного импульса (и всех производных импульсов), а резистор R3 изменяет ширину основного импульса (только TP1). При регулировке ширины импульса наблюдается небольшое изменение частоты. Частота основного импульса определяет, сколько раз в секунду подается импульс на катушку, а также сколько выборок в секунду интегратор (IC8a) интегрирует. Как правило, более высокая частота импульсов обеспечивает более быстрое движение катушки и, возможно, немного лучшие шумовые характеристики, но при этом потребляет больше энергии. Изменение ширины основного импульса определяет длительность работы катушки, что может влиять на глубину обнаружения (до определенного предела) и энергопотребление.

Диапазон частот для данной конструкции составляет от 900 Гц до 2300 Гц, а ширина импульса может регулироваться от 10 мкс до 75 мкс. Резисторы R1...R4 могут быть модифицированы для других диапазонов частот и ширины импульсов. Обратите внимание, что эти и последующие диапазоны подвержены изменениям из-за допусков компонентов. Представленные здесь значения измерены на одном экземпляре и могут не соответствовать номинальным диапазонам.

Основным элементом в импульсном металлодетекторе является ключевой элемент катушки, обычно MOSFET или биполярный транзистор с высокой токовой способностью и высоким напряжением пробоя. IRF740 рассчитан на 10 ампер и 400 вольт. Могут быть использованы другие транзисторы, включая NPN-транзисторы и IG-BJT, с незначительными различиями в характеристиках.
Транзистор выполняет две функции: замыкание катушки на напряжение батареи, что создает большой ток в катушке; и как можно более быстрое отключение тока в катушке. В течение времени «включения» ток, протекающий через катушку, создает магнитное поле вокруг катушки, которое в статическом состоянии не оказывает никакого воздействия². Но когда катушка отключается, ток прекращается, а вместе с ним и магнитное поле. Именно разрушение магнитного поля вызывает вихревые токи в близлежащей металлической мишени, которые, в свою очередь, генерируют встречное магнитное поле.
Чем выше начальное магнитное поле и чем быстрее оно коллапсирует, тем больше поле мишени, которое генерируется.

² Однако экспоненциальная (медленная) «зарядка» тока катушки индуцирует поле мишени, которое может ухудшить характеристики, если это не будет устранено.

Выход генератора 555 управляет буферным/сдвигающим уровень транзистором Q1, который в основном преобразует уровни 0/-5 вольт 555 в уровни 0/-VB.
На рис.5 показана схема управления NMOS-транзистором с использованием пассивного выключения через R9. Транзистор Q2 представляет собой просто буфер, с низкоомным эмиттерным резистором (R9), используемым в качестве быстрого подтягивающего резистора для транзистора Q3, являющегося основным переключателем катушки.
Резистор R10 и конденсатор C10 образуют RC-цепь для обеспечения переходного тока транзистора Q3. Они не являются абсолютно необходимыми, но могут снизить уровень шума питания, особенно при использовании 9-вольтовой маломощной батареи. Если они не используются, следует исключить C10 и замкнуть R10.
При использовании конденсатор C10 должен быть достаточно большим, чтобы обеспечить необходимый заряд в течение времени, пока транзистор Q3 включен. Это зависит от трех параметров: ширины импульса на затворе, среднего тока катушки и напряжения питания.
В качестве примера предположим, что ширина импульса составляет 25 мкс, ток катушки равен 2 А (ограничен ее внутренним сопротивлением), а напряжение питания составляет 10 В. Кроме того, предположим, что мы хотим, чтобы напряжение на конденсаторе пульсировало не более 100 мВ.
Ток конденсатора определяется уравнением i=C×dv/dt, поэтому C=i×dt/dv, или 2 А×25 мкс/0,1 В = 500 мкФ. Чтобы найти значение R10, предположим, что оставшееся время тактового сигнала доступно для зарядки C10, поэтому мы можем установить постоянную времени R10×C10 соответствующим образом. Но это схема, которая не обязательно должна работать оптимально, поэтому мы можем с таким же успехом увеличить емкость C10, скажем, до 1000 мкФ, и установить R10 равным 1 Ом.
При пульсациях 100 мВ на R10 батарея будет выдавать ток 100 мА в течение более длительного периода времени, вместо мгновенных 2 А.

Резистор R11 является демпфирующим резистором катушки и предотвращает колебания при выключении Q3. Колебания будут возникать из-за L-C контура, создаваемого индуктивностью катушки и общей паразитной емкостью, включая собственную емкость катушки, емкость кабеля и Q3. Оптимальное значение R11 зависит от катушки и лучше всего определяется экспериментально. Если значение резистора слишком низкое, он будет чрезмерно демпфировать катушку и снижать чувствительность. Как правило, сопротивление R11 находится в диапазоне 200-800 Ом, при этом для катушек, описанных в этой статье, используется сопротивление 680 Ом.
Важное замечание: резистор R11 поглощает энергию, накопленную в катушке непосредственно перед обратным пролётом, и рассеивает её в виде тепла. Количество усреднённой по времени энергии зависит от нескольких факторов: сопротивления катушки, ширины импульса передачи (времени включения) и частоты передачи. Низкое сопротивление катушки, большая ширина импульса и высокая частота в совокупности дают максимальную энергию, и резистор R11 может сильно нагреваться! Рекомендуется использовать резистор R11 мощностью не менее 1/2 Вт, предпочтительно металлоплёночный. Если вы планируете использовать его при высоких температурах, рассмотрите возможность использования резистора мощностью 1 Вт. Обратите внимание, что транзистор Q3 не должен сильно нагреваться.

Сигнал от катушки подается на микросхему предусилителя IC6, которая подключена как инвертирующий операционный усилитель. Резисторы R13/R12 устанавливают коэффициент усиления на 1000. Диоды D3 и D4 обеспечивают ограничение для защиты операционного усилителя. Поскольку импульс напряжения на катушке в диапазоне 200-400 вольт абсолютно выведет операционный усилитель из строя, не пытайтесь использовать схему без них!
Микросхема IC6 должна быть высокоскоростным операционным усилителем с хорошим восстановлением переходных процессов. NE5534 и LM318 были популярным выбором, но сейчас существует множество других вариантов.
Различные операционные усилители имеют разные схемы компенсации смещения, иногда используя один или несколько дополнительных выводов. Данная конструкция обеспечивает универсальный метод компенсации смещения путем подачи тока смещения на неинвертирующий вход через R16. Из-за высокого коэффициента усиления этот ток должен быть очень мал, поэтому R16 должен быть большим. Поскольку этот операционный усилитель работает с самым маленьким сигналом в схеме, желательно иметь максимально чистые напряжения питания, поэтому R20-C14 и R21-C15 обеспечивают фильтрацию шума нижних частот для обоих напряжений питания.

Выходной сигнал предусилителя может быть опционально отфильтрован с помощью R22-C16, который может быть установлен как фильтр нижних частот, как показано на Рис.5, или транспонирован для обеспечения фильтрации верхних частот. Оба типа фильтров используются в некоторых коммерческих проектах, и значения R22 и C16 будут зависеть от области применения. В этом проекте они не используются, поэтому их значения не приводятся — опустите C16 и закоротите R22.

Последняя часть входного каскада приемника — это переключатели выборки. IC7a и IC7b — это логические элементы 4066, которые выбирают один и тот же выходной сигнал предусилителя, но в разное время. Потенциометр R23 обеспечивает метод точной настройки баланса сигнала между двумя переключателями, который будет объяснен в разделе «Калибровка». IC7a — это основной переключатель выборки, и он будет выбирать сигнал во время затухания целевого сигнала.
Задержка выборки и ширина импульса выборки устанавливаются резисторами R42 и R46, как описано в разделе «Тактирование». IC7b выбирает сигнал позже, когда он определяется резистором R45, и используется для подавления помех в дифференциальном интеграторе. Эта схема используется во многих коммерческих проектах, но часто отсутствует в других проектах импульсных металлоискателей. Это необязательно, и в разделе «Другие параметры» описывается, как настроить односторонний интегратор.

Тактирование

В зависимости от используемых вариантов конструкции может потребоваться четыре различных тактовых сигнала.

Основной тактовый сигнал управляет ключевым транзистором Q3, который подает импульсы на поисковую катушку. Второй тактовый сигнал, задержанный от заднего фронта основного тактового сигнала, управляет основным переключателем выборки (IC7a) после предусилителя (IC6). Третий тактовый сигнал, задержанный от второго, управляет дополнительным вторичным переключателем выборки (IC7b), используемым для дифференциального интегрирования.


Рис.6 Диаграммы импульсов синхронизации

На Рис.6 показаны диаграммы синхронизации этих трех импульсов.
Четвертый тактовый сигнал может использоваться для управления динамиком для аудиосигнала без VCO.
Оставшиеся импульсы генерируются двумя моностабильными мультивибраторами IC11 и IC12 (Рис.7).


Рис.7

IC11 создает первый задержанный импульс для основного переключателя выборки (TP6), а IC12 создает дополнительную задержку для вторичного импульса выборки (TP7). В каждом случае первая половина микросхемы мультивибратора используется для задержки входного импульса, а вторая половина задает ширину выходного импульса. Задержки и ширина импульсов задаются постоянными времени RC. R-компонент состоит из потенциометра для регулировки и фиксированного резистора для установки минимальной задержки и ширины импульса.

Для корректной работы дифференциального интегратора оба импульса выборки должны иметь одинаковую ширину, поэтому оба моностабильных генератора с одинаковой шириной импульса (IC11b и IC12b) управляются одной и той же постоянной времени RC (R46/R46a/C26) с помощью разделительных диодов D6 и D7. Эта схема хорошо работает, если между двумя импульсами достаточное время задержки, что легко достигается в данном приложении.

Таким образом, потенциометр R42 устанавливает основную задержку выборки, которая изменяется примерно от 10 мкс до 75 мкс. Вторичная задержка выборки отслеживает задержку основной выборки, при этом дополнительная задержка устанавливается резистором R45 и изменяется от 75 мкс до 350 мкс. Резистор R46 регулирует ширину обоих импульсов от 3 мкс до 50 мкс. Обратите внимание, что крайние значения различных настроек могут быть несовместимы. Например, на самой высокой частоте (2300 Гц) сочетание большой ширины импульса, большой задержки выборки и максимальной вторичной задержки может поместить импульс вторичной выборки в следующий импульс передачи. В этом нет опасности, но это может привести к странному поведению.

Транзисторные преобразователи уровней Q8 и Q9 преобразуют логические уровни 0/-5 вольт моностабильных выходов в уровни +5/-5 вольт, необходимые для управления переключателями выборки IC7a и IC7b. Транзистор Q10 также является преобразователем уровней и управляет переключателем выборки IC7c, который используется для аудиовыхода без VCO. Если используется VCO, то Q10, R49 и R50 не требуются.

Оставшаяся часть приемного блока

Оставшаяся схема состоит из дифференциального интегратора, усилителя и аудио.
Назначение интегратора (IC8a) — усреднение дискретизированных сигналов с предусилителя. Шум, который по своей природе является случайным, усредняется до нуля — или, по крайней мере, мы на это надеемся, — в то время как даже слабые целевые сигналы будут коррелировать и сохраняться.
Короткая постоянная времени приведет к чрезмерно быстрому затуханию целевого сигнала, в то время как длинная постоянная времени приведет к размыванию соседних целевых сигналов и снижению избирательности.
Шум, который по своей природе является случайным, в среднем равен нулю — или, по крайней мере, мы на это надеемся, — в то время как даже слабые целевые сигналы будут коррелировать и сохраняться.


Рис.8 Дифференциальный интегратор и третий каскад усиления

На Рис.8 показана дифференциальная версия интегратора. Коэффициент усиления установлен на 100 с помощью R26/R24. C17 — это интегрирующий конденсатор, и его значение следует выбирать таким образом, чтобы обеспечить достаточную, но не чрезмерную, постоянную времени интегрирования. Для дифференциального интегрирования вторичный сигнал от IC7b следует подавать на делитель, который соответствует инвертирующей схеме усиления, так, чтобы неинвертирующее усиление было таким же, как и инвертирующее усиление. Обычно для этого требуются либо прецизионные резисторы, либо, по крайней мере, хорошо согласованные резисторы. Однако стандартных резисторов с допуском 5% достаточно, если используется резистор R23, для калибровки дифференциального усиления.

Выход интегратора подается по переменному току через конденсатор C19 на выходной каскад усиления, операционный усилитель IC8b (Рис.8). Коэффициент усиления этого усилителя устанавливается на 100 с помощью резисторов R29/R28. Конденсатор C20 обеспечивает дополнительную фильтрацию нижних частот.
При подаче сигнала интегратора по переменному току резистор R34/R34a используется для обеспечения пути разряда для неинвертирующего входа операционного усилителя. Таким образом, статические сигналы отбрасываются, и усиливаются только динамические сигналы. Это означает, что когда катушка перемещается над целью, сигнал будет подниматься и опускаться и усиливаться IC8b. Но если катушку перемещать над целью и удерживать в неподвижном состоянии, сигнал будет подниматься, а затем быстро опускаться по мере разряда конденсатора C194. Скорость разряда, или допустимая скорость движения, может регулироваться изменением сопротивления R34. Поскольку установка R34 на ноль полностью заглушит сигнал (хотя и без риска повреждения схемы), R34a используется для установки максимальной скорости разряда. Этот тип схемы движения распространен в импульсных металлодетекторах и помогает отсеивать медленно изменяющиеся условия на грунте. Однако необходимость поддерживать катушку в движении затрудняет точное определение местоположения целей.

Если R34 снять (разомкнуть), и на входах IC8b ток смещения равен нулю, то конденсатор не будет разряжаться, и даже статические сигналы будут проходить, что приведет к режиму без движения. Поэтому IC8b (и, следовательно, IC8a) должен быть либо операционным усилителем с JFET-входом, либо операционным усилителем на основе CMOS-технологии. Даже операционный усилитель с JFET-входом имеет небольшой ток смещения, возможно, несколько пикоампер, который разрядит C19 за короткое время (около 15 секунд). Таким образом, этот режим без движения вероятно, не подходит для непрерывного поиска, если не используется операционный усилитель CMOS с нулевым током смещения.

Для удобного переключения между режимом движения и режимом без движения на печатной плате предусмотрены контактные площадки для панельного переключателя. Переключатель режимов должен быть либо кнопочным переключателем с самовозвратом, расположенным для удобного доступа большим пальцем, либо кнопочным тумблером с самовозвратом для управления указательным пальцем. Если для IC8 используется операционный усилитель CMOS, то можно использовать переключатель SPDT с momentary контактом на одной стороне (ON-OFF-MOM), аналогичный триггеру режимов, используемому в детекторах марки White. Если режим без движения не требуется, то контактные площадки на печатной плате можно замкнуть. Также можно установить резистор R34 на панель, чтобы легко изменять скорость перенастройки, хотя это делается редко.

Ввод сигнала интегратора в микросхему IC8b также приводит к тому, что выходной сигнал IC8b имеет среднее (постоянное) значение, а также динамический целевой сигнал. Резисторы R30-R31-R32-R33 обеспечивают способ регулировки уровня выходного сигнала усилителя в состоянии покоя, что, как оказалось, является полезным способом установки порогового значения звука. Конденсатор C21 фильтрует регулировочное напряжение, подаваемое на R33.

Последняя часть схемы — это аудиосхема. Существует два основных варианта аудиосигнала: VCO и без VCO. Аудиосигнал VCO обычно настроен на низкий рык, а целевой сигнал дает восходящий тон, подобно старым детекторам BFO. Аудиосигнал без VCO имеет фиксированную частоту, а целевой сигнал вызывает увеличение громкости, подобно детекторам TR и VLF.
Хотя человеческое ухо более чувствительно к изменениям частоты, чем к изменениям громкости, некоторым людям не нравится звук с управляемым напряжением генератором (VCO). Вариант без VCO также будет представлен.


Рис.9 Схема аудио генератора, управляемого напряжением (VCO)


Рис.10 Схема аудио тракта без VCO

В варианте с VCO (Рис.9) микросхема 555 используется в качестве преобразователя напряжения в частоту, так что изменения напряжения на микросхеме IC8b (TP9) приводят к изменениям частоты звука. Резистор R35 (плюс R36) управляет транзистором Q6 с общей базой, эмиттер которого смещен на 0 В с помощью Q5-R38.
Поскольку R35 имеет сигнал на одной стороне и виртуальную землю на другой, он действует как преобразователь напряжения в ток. Q6 передает этот ток на RC-цепь генератора 555, заставляя частоту генератора увеличиваться с увеличением тока. Выход 555 управляет буферным транзистором Q7, который управляет динамиком или наушниками.

Обычно выходная звуковая частота настраивается на определенное значение в состоянии покоя, а целевой сигнал вызывает увеличение частоты.
Установка частоты в состоянии покоя осуществляется с помощью регулятора порогового значения R31, описанного ранее. Значение R35 определяет количество тока VCO, генерируемого для заданного целевого сигнала, поэтому его можно сделать переменным для регулировки чувствительности.
R36 устанавливает максимальный ток VCO.

Добавление NPN-транзистора Q7 обеспечивает повышение тока для управления динамиком в случае низкой громкости. Если громкость достаточна, Q7 можно опустить.
Аналогичный повышающий транзистор также может быть добавлен к транзистору Q7 для увеличения громкости в схеме без VCO.

Схема аудиосигнала без генератора, управляемого напряжением (VCO), показанная на Рис.10, изменяет громкость вместо частоты. Микросхема IC7c прерывает выходной сигнал микросхемы IC8b, поэтому звуковая частота постоянна и равна частоте основного тактового генератора. Следует помнить, что если частота дискретизации изменяется (через R2), то и звуковая частота будет изменяться. В данной схеме их нельзя установить независимо.
Как и в случае с вариантом с генератором управляемого напряжением (VCO), резистор R35 (плюс R36) преобразует выходное напряжение микросхемы IC8b в ток. Транзистор Q6 — это транзистор с общей базой, эмиттер которого смещен на виртуальную землю, а микросхема IC7c закорачивает базу на +5 В, тем самым прерывая ток. Это создает тон постоянной частоты, громкость которого изменяется в зависимости от изменения тока резистора R35.

После того, как пороговая громкость будет отрегулирована для варианта без VCO, целевой сигнал вызовет увеличение громкости. Вариант без VCO потенциально обеспечивает лучшие характеристики, чем вариант с VCO. Питание динамика (или наушников, в меньшей степени) создает большие скачки тока, которые могут передаваться на напряжение питания и вызывать помехи приемнику.
В варианте без VCO звуковая частота синхронна с частотой дискретизации, и, если происходит сквозная передача сигнала, ее можно сдвинуть во времени, задерживая сигнал прерывания до тех пор, пока он не будет помещен в нечувствительную точку в периоде дискретизации. В случае с аудиосигналом VCO помехи являются асинхронными и не могут быть контролированы.
Никаких тестов, чтобы проверить, действительно ли это является проблемой, не проводилось.

Сборка и калибровка

Сборка проекта Hammerhead довольно проста и может быть выполнена поэтапно. Как уже упоминалось, необходим цифровой мультиметр, и, хотя осциллограф полезен, он не обязателен.
Будут показаны осциллограммы, чтобы те, у кого есть осциллограф, могли проверить работу схемы, а те, у кого его нет, могли увидеть, что схема должна делать.
При сборке схем я обычно предпочитаю использовать разъемы для микросхем. Это позволяет повторно использовать микросхемы, если вы позже решите отказаться от схемы, и позволяет легко заменять микросхемы, если одна из них неисправна или если вы решите поэкспериментировать с другой микросхемой.
Кроме того, можно поэкспериментировать с несколькими резисторами и конденсаторами. Для удобства замены можно использовать контактные разъемы или любые другие разъемы для компонентов, которые можно разделить на отдельные контакты. Убедитесь, что используете разъемы, достаточно большие для выводов компонентов, так как доступны разъемы для нескольких различных размеров выводов. При сборке версии для поверхностного монтажа разъемы не являются вариантом, поэтому SMT лучше всего подходит для тех, кто не хочет экспериментировать с компонентами.
Список компонентов для описанного варианта металлодетектора приведен на схемах.

Резисторы имеют мощность 1/4 Вт 5%, за исключением R11, который должен быть 1/2 Вт, предпочтительно металлопленочный. Электролитические конденсаторы должны быть рассчитаны как минимум на 16 В на линиях VB и 10 В в остальных местах.

Что касается остальных конденсаторов, полипропилен и полистирол обеспечивают наилучшую стабильность, но монолитные обычно достаточны.

Как и в описании схемы, мы начнем с раздела питания.
Установите IC1-IC4, C1, C3-C7 и D1-D2. Следите за полярностью электролитических конденсаторов, а также диодов. C11 и R37 можно установить в любое время или полностью опустить. Временно закоротите SW1, подайте 12 В на схему и используйте цифровой мультиметр для измерения выходного напряжения IC2 (вывод 1 = +5 В), IC3 (вывод 3 = -5 В) и IC4 (вывод 3 = -5 В) относительно земли. Помните, что «земля» — это положительная сторона батареи, а не отрицательная.

Поскольку IC1 является удвоителем напряжения, входное напряжение на IC2 (вывод 3) должно быть примерно равно напряжению батареи, но может быть всего лишь 80% из-за присущей микросхеме неэффективности. Напряжение батареи быстро падает от своего номинального напряжения, поэтому выходное напряжение IC1 может быть всего 8 или 9 вольт для 12-вольтовой батареи.

Другие измеренные напряжения не должны отличаться более чем на несколько процентов.

Далее следует схема тактирования. Установите IC5, R1-R4 и C8-C9. Также установите IC11-IC12, R42-R48, R50, C24-C26, и D6-D7. Не устанавливайте Q8-Q9.
Убедитесь, что все необходимые перемычки установлены для этой опции. Включите схему еще раз и измерьте напряжение питания на микросхемах IC5 (вывод 1 = -5 В), IC11 (вывод 8 = -5 В) и IC12 (вывод 8 = -5 В).

Выходное напряжение микросхемы IC5 (контрольная точка 1) должно быть слегка отрицательным и изменяться в зависимости от регулировки частоты и ширины импульса.
Оно должно находиться в диапазоне от -0,25 до -1,25 вольт и составлять примерно -0,5 В при центрировании обеих регулировок.

Далее идут передающая схема и предусилитель приемника: IC6, R6-R215, C10, C14, C15, C27, D3-D4 и Q1-Q3. Не устанавливайте R5. Помните, что нужно устанавливать только необходимые компоненты и перемычки там, где это необходимо. Как упоминалось ранее, R9 обычно работает при коротких импульсах тока и не должен перегреваться.
Однако, если выходное напряжение IC1 застрянет в низком состоянии, R9 также MOSFET Q3 могут перегреться (сгореть). Поэтому убедитесь, что микросхема IC1 всегда работает, или выньте резистор R5 (или R9, или R15), если вам нужно отладить схему (это также защитит транзистор Q3).
Резистор демпфирования R11 будет зависеть от используемой катушки, но для катушек 500 мкГн, описанных в разделе «Катушки», он должен быть 680 Ом. R11 также должен быть рассчитан на мощность 1/2 Вт, так как он может немного нагреваться, особенно, когда частота и ширина импульса передатчика установлены на высокое значение.
Оставьте катушку L1 выключенной пока что. Установите R18 в центральное положение. Включите питание схемы и проверьте выводы питания на микросхеме IC6: вывод 7 = +5 В и вывод 4 = -5 В (приблизительно; R20 и R21 немного уменьшат эти значения).
Регулировка R18 должна изменять выходное напряжение микросхемы IC6 (вывод 6, TP4) примерно от -1,6 В до +1,6 В.

Продолжите работу с оставшейся частью приемника: IC7, R23-R34 и C17-C21, а также с необходимыми перемычками. Не устанавливайте IC8 на данном этапе. Временно замкните SW2 и установите R34 на максимальное значение.
Снова подайте питание и измерьте напряжение на выводах питания IC7 (вывод 14 = +5, вывод 7 = -5 В) и на выводах питания IC8 (вывод 8 = +5, вывод 4 = -5 В).
Для правильного дифференциального интегрирования тракты дифференциального усиления IC8 должны быть достаточно хорошо согласованы. Коэффициенты усиления инвертирующего и неинвертирующего трактов тракта примерно равны R26/R24, когда R25=R24 и R27=R26.
Следовательно, когда соотношения резисторов согласованы, инвертирующий и неинвертирующий коэффициенты усиления будут совпадать. Один из способов согласования резисторов — использование резисторов с точностью 1% или 0,1%.
Другой способ — калибровка коэффициента усиления. В духе упрощения этого проекта, без использования специальных компонентов, мы проведем калибровку.
Замкните контактную площадку 1 микросхемы IC8 на удобную землю (это легко сделать при использовании разъемов для микросхем — контакт 4 микросхемы IC9 — это земля). Этого никогда не следует делать при установленной микросхеме IC8. R24-R26 теперь представляет собой простой делитель напряжения, такой же, как R25-R27.
К R23 можно подать постоянное напряжение, и если есть несоответствие между двумя делителями, R23 можно отрегулировать, чтобы компенсировать его. Это следует делать при включенных аналоговых входах, что будет иметь место, пока не установлены Q8 и Q9.
Используйте вольтметр для измерения напряжения на TP4. Отрегулируйте R18 до тех пор, пока это напряжение не станет максимальным. Теперь измерьте напряжение между выводами 2 и 3 микросхемы IC8 и отрегулируйте R23 до нуля. Снова отрегулируйте R18, пока выходное напряжение микросхемы IC6 (TP4) не станет равным 0 вольт.
Отключите питание платы, устраните короткое замыкание на землю на контакте 1 микросхемы IC8 и установите R5, IC8, Q8 и Q9. Установите R31 в среднее положение.
На этом этапе мы готовы установить аудиосхему. Установите R35-R41, Q5-Q7, Q11, C22-C23, IC9 и необходимые перемычки. Установите R35 в среднее положение, а R41 — на максимальное значение. На этом этапе схема готова к упаковке и завершению сборки. Используя подходящий корпус (не забудьте учесть батарейный блок), добавьте SW1, SW2, динамик и/или разъем для наушников и установите потенциометры, которые будут доступны пользователю.

Больше информации по металлоискателю «Hammerhead» (включая общую схему и печатные платы) можно получить в авторской статье, ссылка на которую приведена в начале описания. А на следующей странице приведём описание конструкции катушки, применённой автором в данном проекте.

Дальше