2.3 Розробка принципової схеми

Відповідно до структурної схемою металошукача на биттях, а також з урахуванням обраної елементної бази, розробляємо принципову схему пристрою.

Опорний генератор реалізований на двох логічних елементах 3І-НІ мікросхеми DD2 (К176ЛА9). Частота його стабілізована і визначається кварцовим резонатором ZQ1 (1 МГц) [11].

Пошуковий генератор побудований на перших двох елементах мікросхеми DD1 (К176ЛА7). Коливальний контур утворений пошуковою котушкою L1, конденсаторами С2 і СЗ, а також варикапом VD1. Для налаштування на частоту 100 кГц служить потенціометр R2, що задає необхідну напругу варикапів VD1. Робоча частота пошукового генератора знаходиться в межах 200-500 кГц. При наближенні до металевого предмету індуктивність котушки змінюється, що призводить до зміни робочої частоти генератора і відповідно до зміни частоти биття, що можна почути в навушниках.

В якості буферних підсилювачів сигналу використовуються логічні елементи DD1.3 і DD2.3, що працюють на змішувач DD1.4.

Буферні каскади забезпечують розв'язку між генераторами по змінній напрузі, а також послаблюють вплив змішувача на генератори. З виходів буферних каскадів сигнали ВЧ подаються на змішувач, виконаний на елементі DD1.4.

Далі сигнал биття надходить на високоомний телефонний капсуль BF1. Конденсатор С10 використовується як шунт для високочастотної складової, що надходить від змішувача.

Живлення на схему подається від джерела В1 через фільтр, утворений конденсаторами С8 і С9. В якості джерела живлення використовується батерея типу “Крона”, напругою 9 В.

2.4 Моделювання принципової схеми в середовищі Electronics Workbench

Моделювання принципової схеми виявлювача металевих предметів проведемо в середовищі Electronics Workbench.

Система схемотехнічного моделювання Electronics Workbench призначена для моделювання та аналізу електричних схем. Electronics Workbench може проводити аналіз схем на постійному і змінному струмі [12]. При аналізі на постійному струмі визначається робоча точка схеми в сталому режимі роботи. Результати цього аналізу не відображаються на приладах, вони використовуються для подальшого аналізу схеми. Аналіз на змінному струмі використовує результати аналізу на постійному струмі для отримання лінеаризованих моделей нелінійних компонентів.

В Electronics Workbench можна досліджувати перехідні процеси при впливі на схеми вхідних сигналів різної форми. Програма також дозволяє проводити аналіз цифро-аналогових і цифрових схем різного типу складності

Наявні в програмі бібліотеки включають в себе великий набір широко поширених електронних компонентів. Є можливість підключення і створення нових бібліотек компонентів. Широкий набір приладів дозволяє проводити вимірювання різних величин, задавати вхідні впливу, будувати графіки. Всі прилади зображуються у вигляді, максимально наближеному до реального, тому працювати з ними просто і зручно.

Результати моделювання можна вивести на принтер або імпортувати в текстовий або графічний редактор для їх подальшої обробки.

У бібліотеці компонентів програми входять пасивні елементи, транзистори, керовані джерела, керовані ключі, гібридні елементи, індикатори, логічні елементи, тригерні пристрої, цифрові і аналогові елементи, спеціальні комбінаційні і послідовні схеми. Активні елементи можуть бути представлені моделями як ідеальних, так і реальних елементів. Можливо також створення своїх моделей елементів і додавання їх в бібліотеці елементів.

У програмі використовується великий набір приладів для проведення вимірювань: амперметр, вольтметр, осцилограф, мультиметр, Боде-плоттер (графічний пристрій частотних характеристик схем), функціональний генератор, генератор слів, логічний аналізатор і логічний перетворювач.

Electronics Workbench дозволяє будувати схеми різного ступеня складності за допомогою наступних операцій:

– вибір елементів і приладів з бібліотек,

– переміщення елементів і схем в будь-яке місце робочого поля,

– поворот елементів і груп елементів на кути, кратні 90°,

– копіювання, вставка або видалення елементів, груп елементів, фрагментів схем і цілих схем,

– зміна кольору провідників,

– виділення кольором контурів схем для більш зручного сприйняття,

– приєднувати кілька вимірювальних приладів і спостереження їх показань на екрані монітора,

– присвоювання елементу умовного позначення,

– зміна параметрів елементів в широкому діапазоні.

Графічні можливості програми дозволяють:

– одночасно спостерігати кілька кривих на графіку,

– відображати криві на графіках різними кольорами,

– вимірювати координати точок на графіку,

– імпортувати дані в графічний редактор, що дозволяє зробити необхідні перетворення малюнка і виведення його на принтер.

Принципова схема пристрою виявлення металевих предметів в програмному середовищі Electronics Workbench зображено на рис. 2.15.

У середовищі Electronics Workbench використовується елементна база, стандартизована за американськими нормативними документами. Тому необхідно провести пошук аналогів відповідних елементів українського маркування.

Аналогом мікросхеми К176ЛА7 є мікросхема 4011, мікросхеми К176ЛА9 – мікросхема 4023.

Цокольовка зазначених мікросхем зображена на рис. 2.16, 2.17.

Проведені моделювання в середовищі Electronics Workbench показали можливості функціонування запропонованої принципової схеми металошукача. При цьому були досліджені сигнали у контрольних точках принципової схеми. Так, на коливальних контурах генераторів наявні коливання приблизно однакової частоти (рис. 2.18).

Рис. 2.15. Принципова схема виявлювача металевих предметів у середовищі Electronics Workbench

Рис. 2.16. Мікросхема 4011

У приведеній мікросхемі 1,2,5,6,8,9,12,13 – входи; 3,4,10,11 – виходи; 7 – спільний вхід; 14 – живлення

Рис.2.17. Мікросхема 4023

У приведеній мікросхемі 1-5, 8, 11-13 – входи; 7 – спільний вхід; 6, 9, 10 – виходи; 14 – живлення

Рис. 2.18. Осцилограма вихідних напруг двох генераторів сигналу

В якості імітатора металевих предметів у схему введена додаткова котушка змінної індуктивності. Змінюючи індуктивність, змінюється частота коливань другого генератора. Внаслідок цього виникають биття частоти. В результаті на виході змішувача формується коливання різницевої частоти, яке фіксується осцилографом.