Схемы металлоискателей MD4U

Здравствуйте.
Есть у меня вопрос до грамотных радиоинженеров.

Возникло у меня желание создать металлоискатель, приёмная часть которого была бы запитана напряжением +/- 15В. Думается мне, что в таком случае удастся значительно расширить динамический диапазон схемы, а так же увеличить коэф. усиления.

Для большинства классических ОУ напряжение +/- 15В является стандартным напряжением питания, и работать они в таком случае будут «на ура». А вот с синхронными детекторами возникла неувязочка …
Наиболее распространённый двуполупериодный синхронный детектор состоит из инвертора на ОУ и ключа типа CD4053. Проблема в том, что CD4053 не живёт при напряжении питания 30В, да и проходящий через неё сигнал не может превышать амплитуду 15В от пика до пика. Именно это факт ограничивает питающее напряжение большинства схем металлоискателей значением +/- 7В.

Для замены CD4053 я подобрал микросхему типа DG333A (она же ADG333A и MAX333). Но у меня в наличии именно DG333ADW от Vishay (+/- 22V Supply Voltage Range, TTL and CMOS Compatible Logic, Low On-Resistance (25 Ом), Rail-to-Rail Analog Signal Range). Но есть вопрос относительно того, куда подключать 6-ю ножку, именуемую «GND». Вроде бы чёрным по белому английскими буквами обозначено, что надо подсоединять данную ногу к нулю источника питания. Но, в исходной схеме СД на CD4053, аналогичная ножка «Vee» подключена на минус питания.

На рисунке показаны исходная схема СД на CD4053 и вариант модификации с применением DG333A. Состояние ключей показано при нуле на управляющем входе.



Куда будет правильнее подключить 6-ю ногу DG333A

Если управляющий сигнал ключа подается относительно 0В то и ногу на 0В. Если относительно "-" то и ногу на "-". Так и сделано в 4053.
Советские 590КН4 имеют 2 переключающих с питаловом в 30В.
МАХ333 имеет 4 переключающих и применяется в 2х частотных Фишерах. Та нога там заземляется. А упр. сигналы идут с регистров формирователя фаз относительно 0В.
Ничего не даст питание в 30В, сизифов труд. Динамический диапазон вполне вписывается в 15В. Если этого не хватает, то не питание надо увеличивать, а разобраться с проблемами. А то выходит - причина не устранена, а борются с последствиями. Главная проблема- кривая катушка. Не правильно спроэктирована. Отсюда и нехватка... чегото там. Главное не динамический диапазон, а точность и стабильность опорной фазы. А она гуляет начиная с датчика от температуры и от грунта, а если автогенератор ТХ - то можно ставить на этом крест, и делать 30В...

PS^ Питания...15В "за глаза"!

Спасибо! Насчёт 6-й ноги DG333A всё понятно.
Глянул, кстати, на карандашный набросок схемы Fisher CZ-5; так там данный нюанс вообще никак не освещён. Не ясно даже каково напряжение питания схемы. Но, если судить по наличию в схеме цифровых КМОП микросхем, то можно утверждать, что оно не превышает 15В. MAX333 стоят там не из-за высокого напряжения питания ... Интерес, видимо, в другом - в низком проходном сопротивлении данных ключей. Даже у HI5043 (К590КН4) оно составляет 50 Ом, а у CD4053 оно и подавно больше (от 60 до 2500 Ом).

По поводу достаточности напряжения питания 15В. Металлоискатель, для которого предназначается данный СД существует пока что лишь в моём воображении. Катушка для него так же ещё не создана. Но вот если предположить, что после изготовления катушка окажется "правильной", и не будет перегружать предусилитель своим разбалансом, то что тогда? Разве в таком случае амплитуда сигнала на выходах канальных усилителей ни при каких условиях никогда не превысит +/-15В ? И стало быть, исходя из этого, незачем эти каналы питать напряжением +/- 30В. Так что-ли?
По-моему не так. И не ради будущей "кривой" катушки данная затея мною затевается ...

Могу только сказать что увеличение питающего в 2 раза, даст выигрыш в динамике всего 6дб. Аж.. А их больше 100. Подъем усиления в предусиле в 2 раза даст прирост на воздухе 2-4см. Увеличение тока ТХ в 2 раза даст 10см (на воздухе) Но все это ничего не стоит из-за вопроса влияния грунта, на саму катушку ТХ и RX. Фаза поля ТХ будет плавать от грунта. И никакие питающие ничего в сущности не решат.
Можете обратить взор на схемы Анкера, там этот вопрос решен и не сложно. Хотя все опять упирается в кривые катушки. Кривые! Оттуда и ноги растут.
Прежде чем преобразовывать питающее в 30В- надо сперва хорошо во всем разобраться, а ключей 4053 хватает вполне, к стати они допускают питание вплоть до 18В

К стати в Фишере те ключи стоят не из-за сопротивления. Оно там до печки как и во многих случаях, придуманых. Потому что их там 4 в одном, потому и стоят. Схема Фашера СЗ-5 у меня есть, не рисованая и есть фото печ. плат с разных преразных ракурсов. Ноги там все видать, корпус 20 выводной .

Успехов!

6 Дб ... И всего-то ... Ай ай ай, как это мало по сравнению со 100 дБ !!!

Никогда не понимал смысла логарифмичности шкалы децибелл. Мошенство и только. Давайте будем называть вещи своими именами, и будем пользоваться линейной системой координат.
При увеличении питания приёмного тракта в два раза, его усиление можно будет повысить в ДВА РАЗА. Насколько я понимаю, при этом дальность обнаружения цели должна повысится не на 2-4 см, а в 1,5 РАЗА. То есть, если раньше некий металодетектор чуял пятачок за 30 см, то при увеличении его коэф. усиления в два раза это расстояние составит 45 см. при той же мощности сигнала ТХ.

Была б моя воля, я бы довёл напряжение питания приёмного тракта до 50В. Увы, но никто не производит операционников и ключей-коммутаторов с таким питанием.

Мне очень жаль...Ваши познания в области МД весьма скромны...

Возможно

Это вряд-ли... Дело в том, что около источника излучения, в нашем случае катушки, выделяют 3 зоны. Первая- это т.н. ближайшая зона (зона индукции), где ЭМП можно считать квазистатическим, неразрывно связанным с равномерно движущимися заряженными частицами. Граница зоны R < λ/2π. Электромагнитная волна в этой зоне еще не сформирована. Для характеристики ЭМП измерения переменного электрического поля Е и переменного магнитного поля Н в зоне индукции производят раздельно. В этой зоне электромагнитное поле по мере удаления от источника излучения (катушки) быстро затухает. Напряженность электрического поля убывает обратно пропорционально расстоянию в третьей степени, а напряженность магнитного поля- обратно пропорционально квадрату расстояния…
Дак это для серебрянного рубля в воздухе. Для бронзы в реальном грунте всё ещё хуже. Короче… Из тех «разов», в которые усилилось усиление надо извлечь корень пятой степени (а лучше шестой) и получаться как раз те «разы», которые те самые 3 сантиметра...

Меня, вот, интересует один вопрос... Откуда берутся такие большие значения динамического диапазона. Сто децибел, 120 децибел. Такие цифры не у каждого профессионального приёмника бывают, с системами АРУ, управляемыми аттенюаторами, «накачкой» смесителя в несколько ватт и прочими «прибамбасами».
Реально, если например, на приёмной катушке 50 милливольт «родного сигнала», то металлодетектор уже в перегрузке. Если-же приемная катушка выдаёт, к примеру, 15 микровольт- аппарат уже в полной тишине. Причём в реальном грунте прирост «родного сигнала» не только в 15 мкВ, а и в 30, и в 50 мкВ будут вообще мимо кассы. Т.е. получается не более 60- 70 дБ динамического диапазона. А на грунте и того меньше, за счет «скручивания» усиления и порога, для уменьшения «ложняков».
В общем 100 децибел нереальная какая-то цифра. Получается детектор должен корректно работать при сигналах цели с приёмной катушки, например, начиная с 1 микровольта и до 100 милливольт. При этом, имея сигнал грунта+разбаланса на приемной катушке в несколько милливольт.
Цифра в 120 дБ вообще, какая-то устрашающая, имхо.
Или может это уже обсуждалось ранее. Укажите, будте любезны…

Динамический диапазон прибора определяется отношением максимального сигнала к минимальному сигналу регистрируемого прибором.
100дБ – это 100000раз, т.е. прибор способен обнаружить изменение в 50мкВ на сигнале в 5В,
120дБ - 5мкВ на сигнале в 5В
Для того, чтобы обнаруживать такие изменения в прибор встраивают различные фильтры, чтобы по максимуму задавить всяческие шумы и выделяют только значения полезного сигнала. Заметьте, не сам сигнал, а его основные метрологические параметры: амплитуду и фазу. Если, в качестве полезного сигнала мы определяем отклик от цели, то мешающим будет статический сигнал от грунта и его шумоподобные изменения в процессе поиска… - сигнал грунта становится тем самым порогом, ниже которого прибор не способен будет измерить сигнал отклика от цели. Учитывая уровень и фазу сигнала от грунта, мы отодвигаем шумовую границу ниже уровня сигнала грунта, что позволяет увидеть более малые изменения, вызванные полезной целью…
Дополнительные несколько вольт по питанию конечно же лишними не будут, НО если уровень шумов, ограничивающий способность обнаруживать малые изменения параметров сигнала, останется на прежнем уровне. Вся задача по обнаружению целей в МД упирается в снижение шумового порога прибора, как основного фактора влияющего на динамический диапазон обрабатываемых сигналов, а не в питающее напряжение.

Весь вопрос влияния грунта начинается от катушек датчика. Проанализируйте элементарное поведение ТХ системы при облучении грунтом. ТХ та же катушка что и приемная. И точно так же видит грунт как и приемная. А если еще и мотают одинаковые витки в обоих катушках. Что происходит с фазой первичного поля!? Грунт сам себя и модулирует, влияя на индукцию ТХ изменяя параметры первичного поля в зависимости от собственной проницаемости. Чем выше минерализация- тем и выше модуляция уже первичного поля! Остальное- вытекающие последствия, понятно само собой... Компенсация грунта касается только приемника, а опорная фаза ничем не компенсирована и не ослаблена. Поэтому все потуги с усилением, питанием, сантиметрами упираются в некоторые незаметные вещи, на которые никто внимания то и не обращает. Мотают себе...кривые катушки и хвастают сантиметрами в воздухе...

Динамический диапазон нужен больше для того чтобы терпеть перегрузки от сильных (мешающих) откликов и их адекватно анализировать. Поскольку простое ограничение обного канала (Х всегда первым перегрузится) нарушает соотношение амплитуд каналов, прониканием на выход ложных сработок. Бороться с этим можно гораздо проще чем делать питание 30В. Это не экономно с точки зрения затрат энергии.
По поводу величины в 100дб- я поросто сказал , для сравнения. Не все знают что это 100 т. раз! И не один МД не способен этого достичь, понятное дело по известным причинам. Но стремиться надо , хотя бы к 80дб. (10т раз) и это реально. Потому что большая часть шумов- это собственные шумы собственной схемы. Ее несовершенство в определенных вещах. "Тихий" прибор работает глубже и лучше. Яркий пример- Гроза6 (сам удивлен)

Вы можете отключить эти сообщения.

Понятие «динамический диапазон» относится к способности приборов оценивать уровни полезного сигнала! Шумы, гармоники, искажения… не относятся к полезному сигналу. С датчика поступает зашумленный сигнал и этот шум по ошибке считают минимальным регистрируемым сигналом, что приводит к значениям ~60…дБ, но это не так! Реальный минимальный регистрируемый полезный сигнал лежит по уровню много-много ниже, чем поступающий с датчика шум (остатки недокомпенсации, нелинейщина, наводки…), что приводит к значениям динамического диапазона обрабатываемых прибором полезных сигналов много больше 100дБ . Поэтому, предварительные усилители необходимо выбирать с минимальным шумом в полосе пропускания, а не ориентироваться на всевозможные сторонние шумы с датчика, т.к. шум этого каскада определяет предельно допустимый шум всего прибора, а следовательно в какой-то мере и его динамический диапазон.
Амплитудно-фазовая стабильность датчика – это средство достижения минимальных шумов в структуре обработки сигналов. В простых приборах – это излишество, а в приборах с компенсацией грунта – необходимость…

И от себя добавлю, что шумит не только предусилитель, его шумы какраз не значительны. А больше шумит опорная фаза, в образе генераторов и компараторов с их форм. цепями и регуляторами дискриминаторов и балансов. А влияние грунта на балансную систему усугубляет это в степень раз, делая шумы предусилителя баловством.

Отношение максимального сигнала к минимальному сигналу на ВХОДЕ и определяет динамический диапазон. Входные делители и «крутилки» чутья и порога не считаются.
Это также 11,51 Нп(Непер) или -25 m (единиц звёздной величины).
Не существует таких приборов. Среди приборов, регистрирующих один сигнал при наличии другого (других) за ОДНО измерение, самые лучшие образчики имеют дин. диапазон не более 80 дБ.
Наборы конденсаторов и резисторов до синхронного детектора можно, конечно, обьявлять фильтрами. Но фильтровать от этого они не станут. Синхронный детектор (СД) прибора- вот кто «выделяет» и амплитуду, и фазу входного сигнала, а заодно «подрабатывает» частотным гребенчатым фильтром. После СД встраивают различные хитровышитые фильтры, чтобы пико-пукать на всякий железный шмурдяк и по максимуму задавить всякие шумы, вместе с мелким или глубоким «цветом». Самый основной метрологический параметр этих фильтров- это возможность их отключения.
Сигнал от грунта не бывает статическим. Просто потому, что катушка прибора всегда перемещается. Даже если в приборе включен статический режим. Изменения сигнала грунта не подобны шуму. Они подобны сигналам целей. Мышиная нора уменьшает уровень грунта в резистивном канале. Алюминиевая шайба на глубине 30 см тоже уменьшает уровень грунта в резистивном канале.
Мы двигаем «шумовую границу», а она нас незаметно ипёт… Мы компенсируем грунт в резистивном канале, учитывая уровень и фазу (лучше, конечно, GEB-ом), но не фазу грунта вообще. Компенсируем только одно, конкретное значение фазы. Двигаем катушкой- значение этой фазы у грунта немного меняется- типа «минерализация». Ну и соответственно компенсация становиться уже не такой скомпенсированной. Чуть заметнее становяться цели с сигналом, чуть меньшим сигнала грунта. Но всё равно нижнюю границу обнаружения цели определяет уровень сигнала грунта. Она-же и есть нижняя граница динамического диапазона прибора.
Снижать надо не шумовой порог прибора. Снижать надо «артефакты» катушки, генератора ТХ и влияние минерализации грунта. Именно они определяют нижнюю границу динамического диапазона.

Некая "оборотная" сторона медали, думаю. Прибор достигает некоего уровня параметров. И приходиться решать уже совсем другие проблемы. Думаю "Терминато-Тесоро-Штурмо" строители не знают таких проблемов...