Báo cáo đề tài

Mạch dò kim loại sử dụng mạch dao động Colpitts

I. Cơ sở và tính toán

I.1. Ý tưởng thiết kế

Phát hiện kim loại phải dựa vào các đặc tính của kim loại. Trong điều kiện

thường ngoài một số kim loại nghịch từ như sắt, titan… các kim loại còn lại đều

thuận từ .Nhưng khi đặt vào trong môi trường từ trường biến đổi các kim loại đều

xuất hiện dòng điện cảm ứng và trở nên thuận từ, đồng thời nó cũng xuất hiện một

từ trường ngược biến đổi chống lại từ trường biến đổi bên ngoài.

Vậy để phát hiện kim loại ta dựa vào việc phát hiện từ trường ngược này là

khả thi.

I.2. Thiết kế mạch colpitts

Hình 1: Mạch colpitts thiết kế trước tính toán

A.Tần số dao động của mạch:

Trong đó f : tần số dao động của mạch

L : giá trị cuộn cảm

CT: giá trị tổng điện dung của tụ trong vòng dao động

B. Phẩm chất của mạch dao động

Trong đó : : phẩm chất biên độ dao động.

: phẩm chất tần số dao động.

: trở kháng hồi tiếp

, : trở kháng nội của L và C

C. Điện áp dao động đầu ra

: Hệ số khuếch đại transistor

D. Điều kiện dao động và hồi tiếp

Giá trị hồi tiếp:

Điều kiện hoạt động của mạch dao động :

( Với tỉ lệ nhỏ nhất là 2:1 đơn vị )

I.3. Phương pháp tính toán và kết quả

a. Phương pháp tính toán

Dựa vào các công thức đã có ở trên ta tính toán các giá trị linh kiện phù hợp

cho mạch dao động, phương pháp sử dụng là chọn các giá trị của các tụ, hệ số

khuếch đại tần số biết trước… để tính toán các giá trị còn lại của mạch .

b. Tính toán

Các giá trị đã biết:

- Điện áp cung cấp : Vcc= 12V

- Tần số : 370kHz.

- Điện áp đầu ra: Vpp 7V

- Hệ số khuếch đại : 90 - 150

- Giá trị tụ : C1 =22nF, C2 = 2.2nF ,C4 = C3 =2.2nF.

- Giá trị trở : R1 = R2 = 22K.

Các giá trị sau tính toán :

- Giá trị cuộn cảm : 51uH

Hình 2: Giá trị mạch sau tính toán

Hình 3: Giản đồ xung mô phỏng của mạch

Kết quả mô phỏng ta có :

Tần số và biên độ nằm trong dải dự kiến cho phép và tương đối ổn định,

mạch đạt yêu cầu cơ bản đặt ra.

II. Thiết kế hoàn chỉnh

1. Nguồn cung cấp

A. yêu cầu

Nguồn cung cấp điện áp DC ổn định cao cho mạch :

- Điện áp đầu vào 12VAC , đầu ra 12VDC , dòng cung cấp >1A

- Nhiễu thấp

B. sơ đồ mạch

2. Mạch dao động chuẩn

A. Yêu cầu

Tạo dao động chuẩn và ổn định theo yêu cầu:

- Tần số 370kHz

- Điện áp xung Vpp =7V.

B. Sơ đồ mạch

C. Mạch dao động dò kim loại

A. Yêu cầu

- Tạo dao động trung tâm tần số 370kHz ở điều kiện thường, và thay

đổi tần số khi gặp vật là kim loại.

- Điện áp xung Vpp = 7V

B. Sơ đồ mạch

C. Mạch so sánh và khuếch đại

A. Yêu cầu

So sánh sự sai khác giữa tần số của mạch dao động chuẩn và dao động dò

kim loại, đồng thời khuếch đại sai khác đó biến thành mức điện áp đều khiển để

cung cấp cho mạch cảnh báo.

B. Sơ đồ mạch

C. Mạch cảnh báo

A. Yêu cầu

Tạo tín hiệu cảnh báo dưới sự điều khiển của tín hiệu cấp từ mạch so sánh

và khuếch đại.

B. Sơ đồ mạch

III. Phụ lục – hoạt động các khối và linh kiện

1. Mạch nguồn

Dựa vào IC ổn áp tuyến tính LM317 là trung tâm mạch, nguồn điện được

nắn từ 12VAC qua cầu diode chuyển thành 17VDc (12 x 1.4).LM 317 có tác dụng

ổn áp cho đầu ra, R1 và VR1(sử dụng trở vi chỉnh) có tác dụng hiệu chỉnh lại giá

trị điện áp đầu ra. Các tụ có tác dụng làm phẳng điện áp đầu ra của cầu diode và

LM317. Mạch phải cân chỉnh sau lắp ráp

2. Mạch dao động chuẩn

Là mạch dao động dựa vào nguyên lý Colpitts cơ bản. Trong mạch các tụ

C2, C3,C4,C6 và L2 có tác dụng là thành phần cơ bản quyết định tần số dao động

của mạch. Ngoài ra trong mạch còn chứa thành phần hiệ chỉnh tần số dựa vào

diode biến dung (varicap) D1 để bù sai số các linh khiện nhằm đạt được tần số

mong muốn ( trong điều kiện thực tế do sai khác về nhiệt và chế tạo mà các linh

kiện bị sai số). VR1 sử dụng biến trở loại núm xoay do việc hiệu chỉnh có là tương

đối nhiều nên sử dụng trở vi chỉnh khá bất tiện. C1,L1,R1 nhằm chống ảnh hưởng

nhiễu nguồn vào mạch dao động và ngược lại. C5 ghép với mạch để lấy tín hiệu ra

nhằm, tác dụng lọc DC trong tín hiệu ra. Các điện trở R2, R3 là các điện trở phân

cực và ổn định làm việccho transistor, R4 tác dụng nâng cao biên độ tín hiệu ra.

Chú ý L2 được quấn trên lõi ferit để đạt độ tự cảm ổn định.L1 là cuộn chặn bán

sẵn.

3. Mạch dao động dò kim loại

Có nguyên tắc họat động tương tự như mạch dao động chuẩn. Nhưng trong

mạch này đã lược bỏ các phần tử hiệu chỉnh tần số bù sai linh kiện, ngoài ra tụ

gánh (tụ C2 bên mạch dao động chuẩn được bỏ đi, có tính toán lại) nhằm nâng cao

giá trị của L2 và cố ý là tăng tính bất ổn tần số của mạch (trị số L2 tăng giúp diện

tích dây cuốn tăng, vùng điện từ của cuộn cảm trải rộng hơn, mặt khác lược bỏ tụ

sẽ làm việc sai số tần lớn hơn khi có biến thiên điện trường – tăng nhạy do hệ số

phẩm chất của mạch dao động giảm xuống). L2 trong mạch này cuốn rỗng- lõi

không khí, cách cuốn trải rộng trên cùng mặt phẳng là tốt nhất khi đó cuộn dây sẽ

rất nhạy cảm với điện trường xung quanh)

4. Mạch so sánh và khuếch đại

Mạch sử dung OA mắc theo kiểu vi sai, khi tần số đầu vào ( 2 đẩu a của 2

mạch dao động) là giống nhau thì đầu ra mạch luôn ở mức cao (~10V), khi có giá

trị sai khác của tần số đầu ra sẽ chuyển xuống mức điện áp thấp hơn tùy vào sai số

của đầu vào. Các linh kiện D1, D2,L1,C1 có tác dụng dập xung và chuyển giá trị

tần số thành giá trị điện áp (đầu ra có giá trị tần số cao, hệ tụ - cảm với mỗi tần số

khác nhau sẽ có giá trị dung-cảm kháng khác nhau sẽ cho ra giá trị điện áp khác

nhau), cuộn cảm ở đây có thể sử dụng cuộn dây cuốn trên lõi ferit 5mm với số

vòng khoảng vài chục vòng dây 0.1mm (cuộn này không cần chính xác lắm, giá trị

quá lớn của cuộn dây có thể gây ra quán tính quá lớn của điện áp gây ra vấn đề

nhận biết chậm cho mạch ), tụ nên chọn loại có điện áp cao sử dụng loại ~ 1kV để

đảm bảo.

Các diode là các diode xung cao tần không được sử dụng loại diode nguồn

(do ngưỡng tần số hoạt động là khác nhau không phù hợp). Các biến trở ở đây có

tác dụng hiệu chỉnh điện áp đầu vào vào ra của mạch (VR1,VR2 sử dụng loại biến

trở vi chỉnh nhỏ, VR3 sử dụng loại biến trở núm xoay- do đầu ra cần hiệu chỉnh

nhiều biến trở vi chỉnh không phù hợp).

5. Mạch cảnh báo

Mạch sử dụng IC 555 làm trung tâm mạch, nó và loa có nhiệm vụ phát xung

âm tần cảnh báo (tần số cơ bản phụ thuộc vào VR1,R4,C1). Đầu vào của mạch

chính là đầu ra của mạch so sánh và khuếch đại. Trong điều kiện thường (không có

kim loại, không có sai số tần, mạch so sánh đầu ra mức cao ~10V) điện áp từ

mạch so sánh làm transistor c1815 mở hoàn toàn làm điện áp trên chân 7 ~ 0V, lúc

này điều kiện dao động của mạch là không có đầu ra loa không có âm thanh.

Ngược lại khi bất thường điện áp từ mạch so sánh ra giảm là c1815 khóa

bớt điện áp trên chân 7 khác 0V , mạch có dao động và trên loa có âm thanh. Tùy

vào mức áp đầu vào mạch sẽ dao động ở tần số khác nhau, điện áp càng thấp (sai

số tần lớn) âm thanh nghe càng chói tai (tần cao). Linh kiện trong mạch không có

gì đặc biệt.