Розроблений мною металодетектор поки що не застосовувався ні в миротворчих операціях з виявлення та обезвреження мінних полів, ні в крупномасштабних геологічних чи археологічних дослідженнях. Розрахований не на професіоналів, а на аматорів, чиє бажання «заглянути під землю» здатна задовольнити конструкція з параметрами, наведеними в таблиці, він є покращеним варіантом «металошукача на биттях».
Чутливість у приладу підвищена завдяки вигідному використанню (чіткій фіксації) залежності тривалості зондувального імпульсу від інтенсивності самих послідовностей з введенням у пошуковий генератор автоматичної підстройки частоти (АПЧ). Причому додаткових заходів для стабілізації напруги та температурної компенсації електронних блоків не знадобилося.
А передбачувані скептиками «непримиренні суперечності» (мовляв, зміна частоти у пошукового коливального контуру при потраплянні металу в робочу зону несумісна з нормальним функціонуванням системи АПЧ) вирішила сама практика. Виявилося, що при переміщенні датчика над досліджуваною поверхнею зі швидкістю 0,5 — 1 м/с схема приладу зовсім не вступає в конфлікт з автопідстройкою частоти, що має значну інерційність (велику постійну часу).
Вже з аналізу блок-схеми видно, що виготовити такий прилад заздалегідь складніше, ніж будь-який з попередніх менш чутливих аналогів, включаючи металошукачі, опубліковані в № 8’85 та 4’96 журналу «Моделіст-конструктор». Адже у пропонованої мною розробки, окрім стандартного набору з еталонного кварцового (1) та вимірювального (2) генераторів, винесеної котушки індуктивності L (пошукової рамки-датчика), змішувача (3) та звукового реєстратора ВА (телефонного капсуля), — наявні нові, істотно покращуючі експлуатаційні характеристики, пристрої. Це й інтегратор (4), що виробляє пилкоподібний сигнал з амплітудою, пропорційною керуючій частоті биттів, і формувач імпульсу запису (5), який разом з ключем (6) та витокуватим повторювачем VT є аналоговим запам’ятовуючим пристроєм, що фіксує пікову напругу з інтегратора.
Не обходиться металодетектор без компаратора (7), що забезпечує автоматичний перехід електроніки з зони максимальної чутливості в область реєстрації биттів «один до одного» (і навпаки), без спеціального генератора ГУН (8), що перетворює напругу, сформовану на витокуватому повторювачі, в електричні коливання частотою 200—8000 Гц, а також без згаданої вище оригінальної системи автопідстройки частоти АПЧ (9) з особливим вузлом, що сповільнює реакцію приладу на надто різку зміну керуючої напруги. Є тут і ряд інших технічних рішень, серед яких, звичайно ж, не можна не виділити «операційник» та спецзмішувач (10).
Як показує практика, саме такий склад пристроїв при обраному способі формування звукового сигналу дозволяє прослуховувати обидві частоти одночасно, істотно полегшуючи початкове налаштування приладу на певну чутливість. І надійність забезпечується досить висока. Навіть в екстремальній ситуації, коли, скажімо, пошукова рамка-датчик наближається до масивного металевого предмета на відстань, при якій різницева частота стає майже критичною (70 Гц), збоїв у роботі не виникає — у навушниках чути лише змінювану частоту биттів.
Тепер про деталі, що знайшли своє відображення на принциповій електричній схемі. Еталонний генератор виконано на елементі DD1.1. Його частота стабілізована кварцовим резонатором ZQ1, включеним у ланцюг позитивного зворотного зв’язку. Для забезпечення збудження генератора при вмиканні живлення служить резистор R1. Наявний тут же буферний елемент DD1.2 розвантажує генератор, а також формує сигнал з цифровими рівнями. Резистор R2 визначає ступінь навантаження та максимум потужності, що розсіюється на кварцовому резонаторі.
Даний генератор може працювати практично з будь-якими резонаторами при струмі споживання 500—800 мкА. А йдучий за ним дільник частоти на два (елемент DD2.1) формує сигнал з симетричним меандром, необхідний для нормальної роботи змішувача.
Вимірювальний генератор зібрано за схемою несиметричного мультивібратора (транзистори VT1 та VT2). Вихід на режим самозбудження забезпечує ланцюг позитивного зворотного зв’язку на конденсаторі С7. Частотозадаючими елементами служать С3 — С5, VD1 та пошукова котушка-датчик L1. Причому генерація здійснюється в межах від 500 кГц до 700 кГц, залежно від наявного кварцового резонатора.
Такий важливий параметр, як короткочасна нестабільність, у даного генератора невеликий. Відхід частоти за перші 10 с одразу після вмикання живлення становить не більше 0,7 Гц (а через кожні 30 хв — до 20 Гц), хоча для нормальної роботи приладу вважається прийнятним навіть 1 Гц за 1 хв (без АПЧ).
Видаваний вимірювальним генератором синусоїдальний сигнал, маючи амплітуду 1 — 1,2 В, надходить через розділювальний конденсатор С9 на тригер DD3.2, який формує прямокутні імпульси з цифровими рівнями та скважністю 2. R5R6 — дільник, необхідний для нормальної роботи цієї ділянки схеми. Ну а DD3.3 виконує роль буферного каскаду. Сигнал з нього подається на змішувач (Т-тригер DD2.2). Туди ж надходить частота від дільника еталонного генератора.
Особливості роботи DD2.2 такі, що якщо на входи С та D цього логічного елемента приходять дві імпульсні послідовності, близькі за частотою, то на виходах формується сигнал різницевої частоти зі строго симетричним меандром. Причому все, що знімається з виводу 12 змішувача, має форму, представлену на рисунку 2а.
Прямий, а також затриманий (рис. 2б) проінвертований (завдяки ланцюгу R8C11 та елементу DD4.2) сигнали підсумовуються на ключі DD5.1, що виконує роль логічного І/АБО з формуванням коротких позитивних імпульсів запису (рис. 2в) для роботи аналогового запам’ятовуючого пристрою (DD5.2, С13, VT3). Але це ще не все. Знімається з виходу DD4.2 сигнал приходить на інтегратор, виконаний за класичною схемою з використанням VD2, R10 — R11, DA1, C12. Резистор R11 обмежує струм перезарядки конденсатора С12, розвантажуючи вихід елемента DD4.2.
Проінтегрований сигнал (рис. 2г) через ключ DD5.2, яким керують імпульси з DD5.1, подається на запам’ятовуючу ємність С13, де формується і до нового циклу запису утримується з високою точністю напруга, рівна піковому значенню того, що надходить від інтегратора (рис. 2д). Конденсатор С14 згладжує ефект типу «сходинка», який може виникнути при різкій зміні частот биттів (рис. 2е).
З витокуватого повторювача сигнал надходить на компаратор DD4.3, ГУН (генератор, керований напругою) та в ланцюг петлі АПЧ. Дільник R21R22 разом з R23 та R24 зворотного зв’язку звужують діапазон керуючої напруги до амплітуди 1,2 В. Операційний підсилювач DA2 порівнює отримане з тим, що задано дільником R26R29, і формує напругу керування варикапом VD1.
Резистором R26 можна встановлювати початкову точку захоплення АПЧ (чутливість) грубо, а R27 — точно. Більше того, при переміщенні рухівки R26 в бік крайнього (верхнього або нижнього за схемою) положення легко виходити з зони захоплення АПЧ (±300 Гц), здійснюючи режим з частотою биттів «один до одного», що робить роботу з приладом більш гнучкою.
Для з’ясування особливостей функціонування вузла, що сповільнює реакцію АПЧ на різку зміну частоти биттів, припустимо, що на базі транзистора VT4 є, наприклад, певна встановлена Uб. Допустимо також, що в якийсь момент відбувається різка зміна частоти биттів і, відповідно, напруги на С14. Справна схема нашого металодетектора обов’язково відгукнеться на таку «вступну» адекватним відхиленням Uб транзистора VT4 від попереднього значення (завдяки великим номіналам R19, R20 та С16). А ось відповіддю на плавну зміну частоти биттів обов’язково буде реакція у вигляді повільної зміни названих напруг.
Коли в зону чутливості пошукової рамки-датчика потрапляє металевий предмет і знаходиться там відносно довго, на базі VT4 встановлюється напруга, якого зазвичай вистачає для повернення на заданий частотний режим. Але при різкому відведенні датчика вбік ситуація змінюється, Uб транзистора VT4 не зможе швидко повернутися на попередній рівень. Тобто створюються умови для переходу через «0» (виникнення позитивного зворотного зв’язку). Щоб останнє виключити, введено шунтування R19 діодом VD3, через який відбувається швидкий розряд ємності С16 (повернення Uб на встановлений рівень).
Фактично АПЧ має (залежно від того, в який бік відбувається зміна частоти биттів) дві постійні часу. А оскільки особливе виконання датчика практично нівелює вплив феромагнітних властивостей виявлених предметів на збільшення f пошукового генератора, то й АПЧ, і прилад загалом працюють у всіх режимах дуже коректно. ГУН (DD4.4, і R18, С15) перетворює напругу, що змінюється з частотою биттів, в частоту. А налаштований за допомогою дільника R16R17 компаратор DD4.3 дозволяє йому це робити в зоні максимальної чутливості, коли fбиттів = 0…70 Гц.
Частота ГУН надходить на вхід А змішувача (ключ DD5.4). На вхід СО приходять від логічного елемента DD4.1 і різницева fбиттів, і сформований диференціюючою ланцюгом C10R9 (для кращого звучання навушників, зменшення споживаної потужності) короткий негативний імпульс. В результаті на виході змішувача присутня або промодульована fбиттів частота ГУН, або лише частота биттів. Причому перехід з одного режиму на інший схема виконує автоматично. Змінний резистор R30 служить навантаженням та регулятором гучності, а суміщений з ним SA1 — вимикачем електроживлення.
Використання мікросхем серії КМОП, операційних підсилювачів, що працюють у мікрострумовому режимі, дозволило скоротити струм споживання до рівня 6 мА, зробивши прийнятним використання батареї «Крона» як джерела електроживлення.
Як і інші аналоги (включаючи опубліковані в «Моделісті-конструкторі» № 8’89 та 4’96), майже весь металодетектор змонтовано на друкованій платі з односторонньо фольгованого склотекстоліту. Пошуковий генератор поміщено в екрануючу коробку з бляхи. За габарити плати винесені лише регулювальні опори R26, R27, R30, гнізда підключення джерела живлення та навушників, а також рамка-датчик.
Технологія та ретельність виготовлення рамки-датчика настільки важливі для працездатності всього металодетектора, що потребують, мабуть, більш детального викладу. Як основу тут використано жгут, складений з одинадцяти 1100-мм відрізків дроту ПЕВ2-1,2. Щільно обгорнувши шаром ізоленти, його втискують в алюмінієву трубку, що має внутрішній діаметр 10 мм та довжину 960 мм. Отриманій заготовці надають форму прямокутної рамки 300×200 мм з заокругленими кутами.
Кінець першого з проводів, поміщених в алюмінієвому корпусі — електростатичному екрані, послідовно припаюють до початку другого і так далі до утворення своєрідної 11-виткової котушки індуктивності. З’єднання ізолюють один від одного паперовою стрічкою та заливають епоксидною смолою, виключаючи при цьому появу короткозамкнутого витка за рахунок самої зігнутої в рамку трубки.
Бажано тут же передбачити будь-який закритий високочастотний роз’єм та підходяще (не металеве) кріплення для штанги-рукоятки, в якості якої можна використати одну-дві секції від розбірного вудлища. Кабель, що з’єднує рамку з блоком, краще використовувати коаксіальний, телевізійний, наприклад, РК75.
Дросель L2 пошукового генератора (позначення тут і далі — згідно з рис. 1 та відповідно до принципової електричної схеми металодетектора, опублікованої в попередньому номері журналу) має 450 витків дроту ПЕЛ1-0,01. Намотка — внавал на каркасі діаметром 4 та довжиною 15 мм з феромагнітним осердям М600НН (можна застосувати підходящу контурну котушку від старого радіоприймача). Індуктивність такого дроселя 1 — 1,2 мГн.
У приладі використано конденсатори КСО або КТК (С3, С4, С5), КЛС або КМ (С1, С2, С6 — С13, С15), К50-6 або К53-1 (С14, С16, С17). Є вибір і резисторів. Зокрема, для «підстроювачів» R26, R27 підійдуть СП5-2 або СП-3. Те саме можна сказати про змінний R30, тільки він повинен бути суміщений з вимикачем. Всі інші резистори — МЛТ-0,125 (ВС-0,125).
Цифрові МС можна замінити аналогами з добре зарекомендувавшої себе серії К176. DD1, DD3 — будь-які з того ж ряду, лише б містили необхідну кількість інверторів.
Допускають заміну і транзистори. В якості VT1 та VT2, наприклад, підійдуть КП303Б (-Ж). На місці VT3 прийнятний КП303 або КП305 (буквений індекс в кінці найменування в даному випадку ролі не грає), а КТ3102Г (VT4) замінить КТ3102Е.
Кварц — з тих, що розраховані на 1,0 — 1,4 мГц. Вибір навушників теж не обмежений. Як свідчить практика, цілком підійдуть ТОН-1 або ТОН-2. Варикап Д901 можна замінити на Д902. Діоди VD2 та VD3 — КД522 (КД523) з будь-яким буквеним індексом.
Для налаштування зібраного приладу знадобляться осцилограф та …акуратність у роботі. Ретельно оглянувши весь монтаж, на схему подають електроживлення. Потім перевіряють струм споживання, який у правильно виконаної працездатної конструкції повинен становити 5,5 — 6,5 мА. При виході за вказані значення шукають та усувають помилки в пайці тощо.
У функціонуванні еталонного генератора переконуються за наявністю на виводі 1 мікросхеми DD2 частоти, рівної 0,5fкварцового резонатора зі скважністю 2. Потім переходять до «пошуковика». У контрольну точку на друкованій платі, де сходяться R3 та С8, подають половину напруги живлення, від’єднавши при цьому вихід мікросхеми DA2. І осцилографом, підключеним до стоку транзистора VT2, перевіряють амплітуду вихідної напруги. Вона повинна бути від 1 В до 1,2 В. Якщо відхилення перевищує 0,1 В, коректують кількість витків у дроселі L2.
А за допомогою конденсаторів С3 та С4 виставляють оптимальну частоту сигналу, рівну 0,5fкварца. Причому сам датчик повинен розташовуватися не ближче двох метрів від металевих предметів. За потреби, підбираючи R5, прагнуть отримати симетричний вихідний сигнал на виводі 9 мікросхеми DD3 (при цьому змішувач повинен видавати сигнал різницевої частоти з меандром, рівним 2). Потім, встановивши зміною напруги на варикапі частоту биттів, рівну 8 — 9 Гц, вимірюють сигнал на виводі 6 інтегратора DA1 — він повинен бути «на межі обмеження знизу». Відповідну ж корекцію здійснюють підбором номіналу у резистора R10.
Приєднавши осцилограф до витоку транзистора VT3, перевіряють зміну рівня напруги залежно від частоти биттів. Резисторами R16 та R17 досягають, щоб логічний нуль на виході компаратора (вивід 10 мікросхеми DD4) з’являвся лише тоді, коли Тбиттів стане вище 70 Гц.
ГУН підлаштовують за допомогою резистора R15 так, щоб генератор починав працювати, коли сигнал інтегратора «виходив з обмеження знизу». Надалі це істотно спростить корекцію приладу перед роботою, оскільки мінімальна частота ГУН і буде відповідати налаштуванню металодетектора на максимальну чутливість.
Відновивши на друкованій платі спеціально відпаяне раніше з’єднання R3 та С8 з DA2, переходять до заключного етапу відлагодження приладу. Рушій «підстроювача» R26 повертають в крайнє («плюсове») положення, що буде відповідати максимальній частоті биттів (причому f пошукового генератора > f еталонного). Потім, повільно обертаючи рушій в зворотний бік, починають контролювати сигнал на виводі 6 DA1. Помічають, як (при певному положенні рушія R26) на екрані осцилографа вимальовується момент потрапляння сигналу в зону захоплення АПЧ.
Продовжуючи поворот ручки підстроювального резистора R27, досягають частоти биттів, рівної 10 Гц, одночасно перевіряючи роботу АПЧ (за прагненням сигналу повернутися в початковий стан).
Рушії резисторів R26, R27 необхідно переміщувати повільно, враховуючи велику інерційність АПЧ. При цьому в навушниках будуть прослуховуватися мінімальна частота ГУН та слабкі клацання з fбиттів. В деяких випадках може виникнути ефект «плавання» звуку відносно певного фіксованого стану. В цьому випадку необхідно більш точно підібрати співвідношення резисторів R23, R24 або зменшити номінали R19, R20.
Як вже зазначалося, електронну частину металодетектора (а це майже і є весь прилад) можна змонтувати в будь-якому підходящому корпусі, закріпленому на ручці. Необхідно подбати, щоб пошукова рамка-датчик, а також з’єднувальні дроти були жорстко закріплені відносно один одного. Адже навіть незначні вібрації цих деталей, що виникають при переміщенні оператора, здатні породити хибний сигнал (особливо при максимальній чутливості схеми та недостатньому досвіді роботи з приладом). З тієї ж причини лопатку слід носити за спиною штиком догори (подалі від рамки-датчика). А металеві наконечники на шнурках черевиків оператора взагалі неприпустимі. Привнесені ними перешкоди загрожують звести нанівець всі зусилля надчутливого приладу відшукати в землі те, з чим вона так неохоче розлучається.
Робота з металодетектором мало чим відрізняється від дій з сучасним ручним міношукачем. Звичайно ж, таким точним приладам потрібна юстировка. В нашому конкретному випадку — це поворот рушія підстроювального резистора R26 в крайнє («плюсове») положення, а R27 — в середнє. Подавши на апаратуру електроживлення, обертають ручку регулювання R26 в протилежний бік до появи в навушниках сигналу ГУН. Після цього підстроювальним резистором R27 встановлюють необхідну чутливість. А за допомогою R26 довільно виставляють (при роботі з приладом в режимі биттів «один до одного») fбиттів в межах 200 -300 Гц.
АПЧ та ГУН, по суті, вимкнені, тому пошук ведуть як зазвичай. Для більш чіткого визначення місця розташування дрібних предметів рамку-датчик підносять до зони пошуку або горизонтально (заокругленим кутом вперед), або під нахилом 45 — 90° до досліджуваної поверхні (з явним позиційним перевагою однієї з боковин рамки).
ОСНОВНІ ПАРАМЕТРИ МЕТАЛОДЕТЕКТОРА
Габарити друкованої плати, мм 90x70x2
Напруга електроживлення, В 9
Споживаний приладом струм, мА 6
Глибина виявлення сталевих предметів у чорноземі при встановленій сухій погоді, мм
а) диск 10×2 мм 100
б) диск 100×20 мм 680
в) диск 500×100 мм (каналізаційний люк) 1400
Ю. СТАФІЙЧУК, Республіка Молдова