高頻振蕩金屬探測器電路設(shè)計(jì)【畢業(yè)論文】

1、<p>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)</p><p><b>　　( 屆)</b></p><p>　　論文題目 高頻振蕩金屬探測器電路設(shè)計(jì) </p><p>　　(英文) High Frequency Oscillation Metal </p><p>　　Detectors Circuit Des

2、ign</p><p>　　所在學(xué)院 電子信息學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級 電子信息工程 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號 </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p>&

3、lt;p>　　完成日期 年 月 日</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　金屬探測器是一種專門用來探測金屬的儀器，除了用于探測有金屬外殼或金屬部件的地雷之外，還可以用來探測隱蔽在墻壁內(nèi)的電線、埋在地下的水管和電纜，甚至能夠地下探寶，發(fā)現(xiàn)埋藏在地下的金屬物體[1]。金屬探測是根據(jù)電磁感應(yīng)原理制成的

4、，將一金屬置于變化的磁場當(dāng)中時，根據(jù)電磁感應(yīng)原理就會在金屬內(nèi)部產(chǎn)生渦流，渦流產(chǎn)生的磁場反過來又影響原磁場，這種變化可以轉(zhuǎn)換為電壓幅值的變化，供相關(guān)電路進(jìn)行檢測[2]。它也可以表現(xiàn)為振蕩電路頻率的變化，用檢測頻率的辦法進(jìn)行檢測，這里使用的是前者。高頻振蕩金屬探測器是由高頻振蕩器、振蕩檢測器、音頻振蕩器、功率放大器等組成[3]。</p><p>　　關(guān)鍵詞：高頻；振蕩；金屬探測器</p><p&g

5、t;<b>　　Abstract</b></p><p>　　The metal detector is a kind of special used to detect metal instrument, except for detection of a metal shell or metal components of mines, but also can be used to d

6、etect hidden in the wall of the wire, in buried in the ground water pipe and cable, and even to be able to dip below treasure, found buried in underground metal objects. Metal detector is based on the principle of electr

7、omagnetic induction made, will be a metal in the magnetic field changes of, according to the principle of electrom</p><p>　　Key Words: High Frequency；Oscillation；Metal Detectors</p><p><b>

8、　　目 錄</b></p><p><b>　　1　引言1</b></p><p>　　1.1金屬探測器的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢1</p><p>　　1.2金屬探測器的應(yīng)用3</p><p><b>　　2　設(shè)計(jì)要求4</b></p><p><b>

9、;　　2.1技術(shù)要求4</b></p><p><b>　　2.2工作要求4</b></p><p><b>　　3　設(shè)計(jì)方案5</b></p><p>　　3.1總體設(shè)計(jì)方案框圖及分析5</p><p>　　4　各單元電路設(shè)計(jì)7</p><p>　　4

10、.1高頻振蕩電路的設(shè)計(jì)7</p><p>　　4.1.1 LC振蕩電路介紹7</p><p>　　4.1.2 反饋型振蕩器的基本工作原理8</p><p>　　4.1.3 三點(diǎn)式振蕩電路10</p><p>　　4.1.4 振蕩電路構(gòu)成12</p><p>　　4.2檢測電路的設(shè)計(jì)12</p>

11、<p>　　4.2.1 三極管概述12</p><p>　　4.2.2 檢測電路中放大電路的分析13</p><p>　　4.2.3三極管Q1的靜態(tài)點(diǎn)分析15</p><p>　　4.3音頻振蕩電路的設(shè)計(jì)15</p><p>　　4.3.1音頻振蕩器組成16</p><p>　　4.3.2互補(bǔ)型多

12、諧振蕩器的工作原理16</p><p>　　4.4功率放大電路的設(shè)計(jì)17</p><p>　　4.4.1功率放大器的工作原理和特性17</p><p>　　4.4.2高頻振蕩金屬探測器的工作原理19</p><p>　　4.4.3系統(tǒng)原理圖及電路工作的邏輯原理19</p><p>　　4.4.4用Multis

13、im畫的電路圖及仿真圖20</p><p><b>　　5 結(jié)論23</b></p><p><b>　　致 謝24</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)25</b></p><p><b>　　1　引言</b></p>&

14、lt;p>　　1.1金屬探測器的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢</p><p>　　金屬探測器因其功能和市場應(yīng)用領(lǐng)域的不同可分為以下幾種：通道式金屬探測器（又稱：金屬探測門簡稱：安檢門）、手持式金屬探測器、便攜式金屬探測器、臺式金屬探測器、工業(yè)用金屬探測器和水下（或地下）金屬探測器。</p><p>　　全球第一臺金屬探測器誕生于1960年，步入工業(yè)時代最初的金屬探測器也主要應(yīng)用于工礦業(yè)，是檢查礦產(chǎn)

15、純度、提高效益的得力幫手。隨著社會的發(fā)展，犯罪案件的上升。1970年金屬探測器被引入一個新的應(yīng)用領(lǐng)域——安全檢查，也就是今天我們所使用的金屬探測門雛形，它的出現(xiàn)意味著人類對安全的認(rèn)知已步入一個新紀(jì)元。</p><p>　　一個產(chǎn)品的出現(xiàn)帶動了一個行業(yè)的發(fā)展，于是安檢這個既陌生又熟悉的行業(yè)開始進(jìn)入市場。40多年過去了，金屬探測器經(jīng)歷了幾代探測技術(shù)的變革，從最初的信號模擬技術(shù)到連續(xù)波技術(shù)直到今天所使用的數(shù)字脈沖技術(shù)，

16、金屬探測器簡單的磁場切割原理被引入多種科學(xué)技術(shù)成果。無論是靈敏度、分辨率、探測精確度還是工作性能上都有了質(zhì)的飛躍。應(yīng)用領(lǐng)域也隨著產(chǎn)品質(zhì)量的提高延伸到了多個行業(yè)。</p><p>　　70年代隨著航空業(yè)迅速發(fā)展，劫機(jī)和危險(xiǎn)事件的發(fā)生使航空及機(jī)場安全逐漸受到重視，于是在機(jī)場眾多設(shè)備中金屬探測門扮演著排查違禁物品的重要角色。同樣在70年代，由于金屬探測門在機(jī)場安檢中的嶄露頭角，大型運(yùn)動會（如奧運(yùn)會）展覽會及政府重要部門

17、的安全保衛(wèi)工作中開始啟用金屬探測門作為必不可少的安檢儀器。</p><p>　　發(fā)展到80年代，監(jiān)獄暴力案件呈直線上升趨勢，如何及早有效預(yù)防并阻止暴力案件發(fā)生成了監(jiān)獄管理工作中的重中之重，在依靠警員對囚犯加強(qiáng)管理的同時，金屬探測門再次成為了美國、英國、比利時等發(fā)達(dá)國家監(jiān)獄管理機(jī)構(gòu)必備的安檢設(shè)備，形成平均每300個囚犯便使用一臺金屬探測門用于安檢；與此同時西方興起的“尋寶熱”，也使手持式、便攜式金屬探測器得到長足的

18、發(fā)展。</p><p>　　進(jìn)入90年代，迅速升溫的電子制造業(yè)成了這個時代的寵兒，大型的電子公司為了減少產(chǎn)品流失、結(jié)束員工與公司之間的尷尬局面，陸續(xù)采用金屬探測門和手持式金屬探測器作為管理員工行為、減少產(chǎn)品流失的利刃。于是金屬探測器又有了它新的角色——產(chǎn)品防盜。</p><p>　　9.11事件以后,反恐成為國際社會一個重要議題。 爆炸案、恐怖活動的猖獗使恐怖分子成了各國安全部門誓要打擊的

19、對象。此時國際社會對“安全防范”的認(rèn)知也被提到一個新的高度。受9.11事件影響，各行各業(yè)都加強(qiáng)的保安工作的部署，正是受此影響，金屬探測器的應(yīng)用領(lǐng)域也成功的滲透到其他行業(yè)。（如：娛樂場所，公共娛樂場所的治安問題歷來是社會各界關(guān)注的焦點(diǎn)，也是治安管理工作的難點(diǎn)。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年娛樂場所惡性打架斗毆事件和刑事案件發(fā)案率占60%以上，其作案兇器均是消費(fèi)者隨身帶入娛樂場所）然而，此時簡單的通道式金屬探測門已不能完全滿足安檢的要求，安保人員需要的是一

20、種能準(zhǔn)確判定金屬物品藏匿位置的安檢產(chǎn)品。于是多區(qū)位金屬探測技術(shù)孕育而生，它的誕生是金屬探測器發(fā)展歷史上的又一次變革，原來單一的磁場分布變成了現(xiàn)在相互疊和而又相對獨(dú)立的多個磁場，再根據(jù)人體工程學(xué)原理把門體分為多個區(qū)段使之與人體相對應(yīng)，相應(yīng)的區(qū)段在金屬探測門上形成相對的區(qū)域，這樣金屬探測門便擁有了報(bào)警定位功能。</p><p>　　隨著國內(nèi)安防行業(yè)的蓬勃發(fā)展，在安檢領(lǐng)域，國內(nèi)出現(xiàn)了多個金屬探測器生產(chǎn)廠商，但在國內(nèi)市場

21、占有率上來看國外品牌占有80%的市場份額，民航市場也一直是國內(nèi)金屬探測器的禁區(qū)。究其原因，大部分是因?yàn)楫a(chǎn)品質(zhì)量不過關(guān)導(dǎo)致相關(guān)認(rèn)證拿不到。 其實(shí)國內(nèi)金屬探測器產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)和推廣，近幾年已獲得較大進(jìn)步。但是，猶如其他電子類產(chǎn)品一樣，金屬探測器同樣出現(xiàn)了電路仿制、性能相同、功能繁多、華而不實(shí)的現(xiàn)象。某些所謂生產(chǎn)廠商這種投入小、研發(fā)周期短的商業(yè)行為勢必導(dǎo)致產(chǎn)品的一致性差，可靠性低以及安檢產(chǎn)品社會信譽(yù)度降低，設(shè)備從根本上保證不了安檢要求。&l

22、t;/p><p>　　金屬探測器自誕生至今50多年過去了，金屬探測器經(jīng)歷了幾代金屬探測的變革，從最初的信號模擬技術(shù)到連續(xù)波技術(shù)，再到今天的數(shù)字脈沖技術(shù)，金屬探測器簡單的磁場切割原理被引入多種技術(shù)成果中。無論是靈敏度、分辨率、探測精度還是在工作性能上都取得了質(zhì)的飛躍，應(yīng)用領(lǐng)域也隨著產(chǎn)品質(zhì)量的提高延伸到多個行業(yè)。</p><p>　　1.2金屬探測器的應(yīng)用</p><p>

23、　　金屬探測器不僅能探測軍火，還可以探測到硬幣、鑰匙及其他金屬物品，它還被廣泛的應(yīng)用在醫(yī)藥、化工原料、紡織品、安全及防盜檢查之中。</p><p>　　在戰(zhàn)地考古學(xué)中，大多數(shù)證物都是金屬的，如火槍彈頭、彈藥筒、子彈、大炮和炮彈、榴散彈和刀劍等，具體是哪些證物取決于戰(zhàn)役發(fā)生的歷史時期。因此，戰(zhàn)地考古學(xué)家最重要的工具就是簡單的金屬探測器。</p><p>　　幾十年來，由于被理所當(dāng)然地認(rèn)為是盜

24、墓者的“武器”，金屬探測器一直飽受非議。直到1983年，理查德.福克斯和后來的道格拉斯.斯科特(Douglas Scott)通過對小大角戰(zhàn)場的分析證明，通過系統(tǒng)的金屬探測調(diào)查，幾十年的辛苦考古工作可以在很短的時間內(nèi)就完成。據(jù)他們估計(jì)，金屬探測員在小大角戰(zhàn)場發(fā)掘出來的5,000件古器物中，用傳統(tǒng)方式也許只能找到其中的10件左右。</p><p>　　如今，熟練的金屬探測員與考古學(xué)家和文物保護(hù)者一道工作，在戰(zhàn)地考古中

25、扮演著十分重要的角色，文物保護(hù)者負(fù)責(zé)精確地記錄發(fā)現(xiàn)器物的位置，并進(jìn)行“封裝、貼標(biāo)以及作標(biāo)記”。換句話說，每件古器物都被封裝起來，貼上標(biāo)簽，放在挖它出來時所開鑿的洞里，以便在將其移走用于以后研究之前查明它的精確位置并繪制成地圖。</p><p>　　金屬探測器被越來越多地用來協(xié)助表面穿透雷達(dá)(SPR, Surface Penetrating Radar)及其它探地雷達(dá)系統(tǒng)工作。最初由英國（Britain）開發(fā)出來、

26、用于探測塑料地雷的 SPR 系統(tǒng)能夠定位地表 30米以下的異常物體。該系統(tǒng)還能提供一系列線索來幫助使用者識別尚未未挖出來的證物。</p><p>　　但即使找到了金屬古器物的位置，也僅僅是成功了一半。有時候，金屬古器物只剩下一半原來的樣子。90年代中期，在對曼茅斯戰(zhàn)役 (Battle of Monmouth) 的分析過程中，美國考古學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了許多表面斑駁的火槍彈頭被壓得像口香糖一樣薄。為了測定原來的尺寸，一位名

27、叫丹.斯維理奇 (Dan Sivilich) 、工程師出身的考古學(xué)家發(fā)明了一個公式，這個公式將物理學(xué)和化學(xué)結(jié)合在一起，用來計(jì)算任何非球狀火槍彈頭的原始直徑。它（ 理所應(yīng)當(dāng)?shù)?） 被稱為“斯維理奇公式”（Sivilich Formula)，如今在世界各處的戰(zhàn)地考古中每天都會用到。</p><p><b>　　2　設(shè)計(jì)要求</b></p><p><b>　　2

28、.1技術(shù)要求</b></p><p>　?。?）探測距離根據(jù)金屬不同最大可以達(dá)到4CM以上；</p><p>　?。?）探測到金屬時用聲音報(bào)警；</p><p>　?。?）工作電源電壓為4.5V（只用3V也可以）；</p><p>　?。?）外觀簡便，結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠。</p><p><b>

29、　　2.2工作要求</b></p><p>　　1.能完成方案設(shè)計(jì)與論證，理論計(jì)算與分析，電路原理圖，測試方法與數(shù)據(jù)，結(jié)果分析；</p><p>　　2.基本能完成硬件電路設(shè)計(jì)、制作與調(diào)試。</p><p><b>　　3　設(shè)計(jì)方案</b></p><p>　　3.1總體設(shè)計(jì)方案框圖及分析</p>

30、<p>　　常見的金屬探測器都是利用電磁感應(yīng)的原理，利用有交流電通過的線圈，產(chǎn)生迅速變化的磁場。這個磁場能在金屬物體內(nèi)部能感生渦電流。渦電流又會產(chǎn)生磁場，倒過來影響原來的磁場，引發(fā)探測器發(fā)出報(bào)警聲。金屬探測器的精確性和可靠性取決于電磁發(fā)射器頻率的穩(wěn)定性，一般使用從80到800 kHz的工作頻率。工作頻率越低，對鐵的檢測性能越好；工作頻率越高，對高碳鋼的檢測性能越好。檢測器的靈敏度隨著檢測范圍的增大而降低，感應(yīng)信號大小取決于

31、金屬粒子尺寸和導(dǎo)電性能。</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用圖3-1的方案：高頻振蕩金屬探測器電路中主要部分是一個處于臨界狀態(tài)的振蕩器，當(dāng)探測線圈靠近金屬物體時，會在金屬導(dǎo)體中產(chǎn)生渦電流，使振蕩回路中的能量損耗增大，正反饋減弱，使原本處于振蕩臨界狀態(tài)的振蕩器停止振動，從而推動蜂鳴器發(fā)聲，判定有無金屬物體。 </p><p>　　圖3-1 總體設(shè)計(jì)方案框圖</p><p&

32、gt;　　這本次設(shè)計(jì)中，金屬探測器的探頭即探測線圈為印刷版天線（如圖3-2所示），比較方便、簡單?？煞€(wěn)定可靠的探測距離線圈平面（線路板）2.5CM左右的金屬硬幣、鋼板、鐵板、鋁板、電腦光碟等，這中間可以阻隔木板、書本、報(bào)紙、玻璃、地面磚、泥土、砂子、自來水、燃油、皮膚（手掌）、衣服、空氣等，實(shí)際試驗(yàn)的最大探測距離可以達(dá)到4CM以上。</p><p>　　圖3-2 電路板上的印刷板天線</p><

33、;p>　　調(diào)節(jié)電位器到剛好不發(fā)聲（不靠近金屬的情況下）用印刷板天線靠近金屬，此時應(yīng)該發(fā)聲，遠(yuǎn)離金屬后應(yīng)該停止發(fā)聲，若遠(yuǎn)離不能停止發(fā)聲，應(yīng)該把電位器逆時針方向調(diào)一點(diǎn)點(diǎn)再試，直到符合要求為止。適當(dāng)?shù)母淖冸娙莸娜萘靠梢愿淖儼l(fā)聲的頻率。</p><p><b>　　4　各單元電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　4.1高頻振蕩電路的設(shè)計(jì)</p><p

34、>　　4.1.1 LC振蕩電路介紹</p><p>　　在高頻電路中，經(jīng)常使用到由L與C所構(gòu)成的振蕩電路。在此，說明LC振蕩器的工作原理。</p><p>　　圖4-1 LC振蕩電路</p><p>　　LC振蕩電路（如圖4-1），是指用電感L、電容C組成選頻網(wǎng)絡(luò)的振蕩電路，用于產(chǎn)生高頻正弦波信號，常見的LC正弦波振蕩電路有變壓器反饋式LC振蕩電路、電感三點(diǎn)

35、式LC振蕩電路和電容三點(diǎn)式LC振蕩電路。LC振蕩電路的輻射功率是和振蕩頻率的四次方成正比的，要讓LC振蕩電路向外輻射足夠強(qiáng)的電磁波，必須提高振蕩頻率，并且使電路具有開放的形式。</p><p>　　1. LC振蕩電路概述</p><p>　　LC振蕩電路主要用來產(chǎn)生高頻正弦波信號，電路中的選頻網(wǎng)絡(luò)由電感和電容組成。常見的LC正弦波振蕩電路有變壓器反饋式LC振蕩電路、電感三點(diǎn)式LC振蕩電路和

36、電容三點(diǎn)式LC振蕩電路，它們的選頻網(wǎng)絡(luò)采用LC并聯(lián)諧振回路。</p><p>　　LC振蕩電路運(yùn)用了電容跟電感的儲能特性，讓電磁兩種能量交替轉(zhuǎn)化，也就是說電能跟磁能都會有一個最大最小值，也就有了振蕩。不過這只是理想情況，實(shí)際上所有電子元件都會有損耗，能量在電容跟電感之間互相轉(zhuǎn)化的過程中要么被損耗，要么泄漏出外部，能量會不斷減小，所以實(shí)際上的LC振蕩電路都需要一個放大元件，要么是三極管，要么是集成運(yùn)放等數(shù)電IC，利

37、用這個放大元件，通過各種信號反饋方法使得這個不斷被消耗的振蕩信號被反饋放大，從而最終輸出一個幅值跟頻率比較穩(wěn)定的信號。</p><p>　　2. LC振蕩電路工作原理</p><p>　　開機(jī)瞬間產(chǎn)生的電擾動經(jīng)三極管V組成的放大器放大，然后由LC選頻回路從眾多的頻率中選出諧振頻率F0。并通過線圈L1和L2之間的互感耦合把信號反饋至三極管基極。設(shè)基極的瞬間電壓極性為正。經(jīng)倒相集電壓瞬時極性為

38、負(fù)，按變壓器同名端的符號可以看出，L2的上端電壓極性為負(fù)，反饋回基極的電壓極性為正，滿足相位平衡條件，偏離F0的其它頻率的信號因?yàn)楦郊酉嘁贫粷M足相位平衡條件，只要三極管電流放大系數(shù)B和L1與L2的匝數(shù)比合適，滿足振幅條件，就能產(chǎn)生頻率F0的振蕩信號。</p><p>　　4.1.2 反饋型振蕩器的基本工作原理</p><p>　　自激振蕩現(xiàn)象：自激振蕩就是內(nèi)部等效元件構(gòu)成正反饋產(chǎn)生的振蕩

39、現(xiàn)象，一種是人為的在放大線路中加入移相元件，如L、C，那是想要的產(chǎn)生的交變信號，還有一種是本來是一個正常電路，但由于設(shè)計(jì)參數(shù)不當(dāng)或器件內(nèi)部有寄生電容等移相元件，結(jié)果不希望出現(xiàn)但卻發(fā)生了自激振蕩使電路不能工作，比如電臺伴隨的嘯叫。通常的自激振蕩會使電路電流增大，特別是開關(guān)電路被頻繁工作在放大區(qū)而損壞器件，但有的時候振蕩使晶體管長時間截止，也會減小電流。</p><p><b>　　1. 振蕩器的功能<

40、;/b></p><p>　　能產(chǎn)生大小和方向都隨周期發(fā)生變化的振蕩電流的這類電路稱為振蕩器。</p><p>　　2. 振蕩器與放大器的主要區(qū)別</p><p>　　振蕩器是可以用來改變頻率的，放大器只能改變波幅，不能改變頻率。</p><p>　　3. 反饋型振蕩器的工作原理</p><p>　　圖4-2所示

41、是反饋方框圖。從圖中可以看出，輸入信號Ui從輸入端加到放大器中進(jìn)行放大，放大后的輸出信號Uo中的一部分信號經(jīng)過反饋電路后成為反饋信號Uf，與輸入信號Ui合并，作為凈輸入信號U1加到放大器中。</p><p>　　圖4-2 反饋方框圖</p><p>　　在圖4-3所示的正反饋方框圖中，當(dāng)反饋信號Uf與輸入信號Ui是同相位時，這兩個信號混合后的放大倍數(shù)沒有變化，這樣放大器的輸出信號Uo比不

42、加入反饋電路時的大，這種反饋稱為正反饋。</p><p>　　圖4-3 正反饋方框圖</p><p>　　在加入正反饋之后的放大器，輸出信號越反饋越大（當(dāng)然不會無限制地增大），這是正反饋的特點(diǎn)。正反饋電路在放大器中通常不用，它只是用于振蕩器。</p><p>　　下圖4-4所示是負(fù)反饋方框圖，當(dāng)反饋信號Uf的相位和輸入信號Ui的相位相反時，它們混合的結(jié)果是相減，結(jié)

43、果凈輸入放大器的信號U1比輸入信號Ui要小，使放大器的輸出信號減小，引起放大器這種反饋過程的電路稱為負(fù)反饋電路。</p><p>　　圖4-4 負(fù)反饋方框圖</p><p>　　4. 反饋型振蕩器的組成</p><p>　　由放大器、選頻網(wǎng)絡(luò)和反饋網(wǎng)絡(luò)組成的一個閉合環(huán)路，反饋式正弦波振蕩器是最常見的一種振蕩器。</p><p><b&

44、gt;　　5. 如何產(chǎn)生振蕩</b></p><p>　　電源接通或元件的起伏噪聲引起的電擾動相當(dāng)于一個起始激勵信號，它含有豐富的諧波，經(jīng)選頻放大后，選出某一特定頻率的正弦波，反饋到輸入端，再通過放大-正反饋-再放大的循環(huán)過程，只要這個過程中│AF│>1振蕩就能逐漸增強(qiáng)起來。因此，僅有平衡條件是不夠的，為了使振蕩能由弱變強(qiáng)逐漸地建立起來，開始時，應(yīng)有│AF│>1，這就是電路的起振條件。&l

45、t;/p><p>　　當(dāng)然，如果振蕩建立起來之后，一直保持│AF│>1的話，振蕩就會無限制地增強(qiáng)。那么振蕩幅度又是如何穩(wěn)定的呢？看來，還需要一個穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，而晶體管恰好可以起到這個作用。晶體管是非線性器件，由于振蕩的增強(qiáng)使它工作在非線性區(qū)時，放大器的增益就會下降，最終達(dá)到從而得到幅度穩(wěn)定的正弦波振蕩。</p><p>　　4.1.3 三點(diǎn)式振蕩電路</p><p>

46、　　三點(diǎn)式振蕩電路是指電容或電感（反饋部分）的3個段分別接晶體管的三個極。</p><p>　　三點(diǎn)式振蕩電路主要分為電感三點(diǎn)式和電容三點(diǎn)式振蕩電路。本次設(shè)計(jì)主要是用電容三點(diǎn)式振蕩電路（如下圖4-5，4-6所示）完成振蕩部分。</p><p>　　圖4-5 電容三點(diǎn)式振蕩電路</p><p>　　圖4-6 電容三點(diǎn)式振蕩電路</p><p&g

47、t;　　圖中電感L和電容C1、C2組成起選頻作用的諧振電路，從電容C2上取出反饋電壓加到晶體管VT的基極。從圖4-6中可以看到，晶體管的輸入電壓和反饋電壓同相，滿足相位平衡條件,因此電路能起振。由于電路中晶體管的3個極分別接在電容C1、C2的3個點(diǎn)上，因此被稱為電容三點(diǎn)式振蕩電路。</p><p><b>　　電容三點(diǎn)式的特點(diǎn)：</b></p><p>　　1.輸出波

48、形較好，這是由于反饋電壓取自電容，而電容對于高次諧波阻抗較小。</p><p>　　2.振蕩頻率較高，一般可達(dá)100MHz以上。</p><p>　　3.調(diào)節(jié)電容可以振蕩頻率，但同時會影響起振條件。因此，這種電路適用于固定頻率的振蕩。</p><p>　　4.1.4 振蕩電路構(gòu)成</p><p>　　如下圖4-7所示，Q1、L1、L2、C2、

49、C3、R1、W組成高頻振蕩電路，調(diào)節(jié)電位器W，可以改變振蕩增益，使振蕩器處于臨界振蕩狀態(tài)，也就是說剛好使振蕩器起振。</p><p>　　圖4-7 高頻振蕩電路</p><p>　　4.2檢測電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　三極管Q2、Q3組成檢測電路（如下圖4-8所示）。</p><p>　　圖4-8 檢測電路</p>&

50、lt;p>　　4.2.1 三極管概述</p><p>　　三極管可以通過控制基極電流來控制集電極的電流，來達(dá)到放大的目的。檢測電路中的放大電路就是利用三極管的這種特性來組成放大電路的。</p><p><b>　　1．放大的本質(zhì)</b></p><p>　　“放大”的本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)能量的控制，即能量的轉(zhuǎn)換：用能量比較小的輸入信號來控制另一個能

51、源，使輸出端的負(fù)載上得到能量比較大的信號。放大的對象是變化量，放大的前提是傳輸不失真。</p><p>　　4.2.2 檢測電路中放大電路的分析</p><p>　　對放大器的分析，目的是了解放大器的工作狀態(tài)，同時對放大器的主要性能指標(biāo)進(jìn)行必要的估算，以了解放大器的基本狀況。</p><p>　　放大電路最常用的基本分析方法，就是圖解法和微變等效電路法。</p

52、><p>　　1.直流通路和交流通路</p><p>　　放大電路中的電抗性元件對直流信號和交流信號呈現(xiàn)的阻抗是不同的。例如，電容對直流信號的阻抗是無窮大的，故不允許直流信號通過；但以交流信號而言，電容容抗很小，當(dāng)電容值足夠大，交流信號在電容上的壓降可以忽略時，可視為短路。電感對直流信號的阻抗為零，相當(dāng)與短路；而對交流信號而言，感抗的大小為WL。此外，對于理想電壓源，如VCC等，由于其電壓恒定

53、不變，即電壓的變化量等于零，故在交流通路中相當(dāng)于短路。而理想電流源，由于其電流恒定不變，即電流的變化量等于零，故在交流通路中相當(dāng)于開路，等等。</p><p>　　在直流通路中，隔直電容C1、C2相當(dāng)于開路。在交流通路中，C1、C2相當(dāng)于短路，此外，集電極直流電源VCC也被短路。于是可得單管共射放大電路的直流通路和交流通路分別如下圖4-9所示。</p><p>　　圖4-9 直流通路（a

54、）和交流通路（b）</p><p>　　根據(jù)放大電路的直流通路和交流通路，即可分別進(jìn)行靜態(tài)分析和動態(tài)分析。分析時，除了圖解法和微變等效電路法以外，有時也采用一些簡單實(shí)用的近似估算法。例如，常常根據(jù)直流通路，對放大電路的靜態(tài)工作情況進(jìn)行近似估算。</p><p>　　2.靜態(tài)工作點(diǎn)的近視估算</p><p>　　當(dāng)外加輸入信號為零，在直流電源VCC的作用下，三極管的基

55、極回路和集電極回路均存在直流電流和直流電壓，這些直流電流和電壓在三極管的輸入、輸出特性上各自對應(yīng)一個點(diǎn)，稱為靜態(tài)工作點(diǎn)。靜態(tài)工作點(diǎn)處的基極電流、基極與發(fā)</p><p>　　射極之間的電壓分別用符號IBQ、UBEQ表示，集電極電流、集電極與發(fā)射極之間的電壓則用ICQ、UCEQ表示?？汕蟮脝喂芄采浞糯箅娐返撵o態(tài)基極電流為</p><p><b>　　。</b></

56、p><p><b>　　3.圖解法</b></p><p>　　如下圖4-10所示是根據(jù)放大電路的交流通路，來分析它的動態(tài)工作情況?，F(xiàn)將圖4-9中（b）中交流通路的輸出回路重畫于此。因?yàn)橛懻摰氖莿討B(tài)，故圖中的集電極電流和集電極電壓分別用變化量△ic和△UCE表示。</p><p>　　圖4-10 交流通路的動態(tài)工作情況</p>&l

57、t;p>　　交流通路外電路的伏安特性稱為交流負(fù)載線。由圖可見，交流通路的外電路包括兩個電阻RC和RL的并聯(lián)?，F(xiàn)用R‘L表示RC與RL并聯(lián)后得到的阻值，即R‘L＝RC‖RL。因此，交流負(fù)載線的斜率將與直流負(fù)載線不同，不是－1/Rc，而是－1/RL’。由于R‘L小于RC，因此，通常交流負(fù)載線比直流負(fù)載線更陡。</p><p>　　通過分析還可以知道，交流負(fù)載線一定通過靜態(tài)工作點(diǎn)Q。因?yàn)楫?dāng)外加輸入電壓UI的瞬時值

58、等于零時，如果不考慮電容C1和C2的作用，可認(rèn)為放大電路相當(dāng)于靜態(tài)的情況，則此時放大電路的工作點(diǎn)既在交流負(fù)載線上，又在靜態(tài)工作點(diǎn)Q上，即交流負(fù)載必定經(jīng)過Q點(diǎn)。因此，只要通過Q點(diǎn)作一條斜率為－1/RL’　　的直線，即可得到交流負(fù)載線。</p><p>　　4.2.3三極管Q1的靜態(tài)點(diǎn)分析</p><p>　　圖4-11 用Multisim軟件測量三極管Q1的值</p><

59、;p>　　80，由式子①，②，③可求出各靜態(tài)點(diǎn)。</p><p><b>　?、?；</b></p><p><b>　　②；</b></p><p><b>　?、?。</b></p><p>　　通過①②③式，求的，，。</p><p>　　4.3

60、音頻振蕩電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　如下圖4-12所示，音頻振蕩電路由三級管Q4和Q5組成。</p><p>　　圖4-12 音頻振蕩電路</p><p>　　4.3.1音頻振蕩器組成</p><p>　　音頻振蕩電路中，音頻振蕩器采用互補(bǔ)型多諧振蕩器，由三極管Q4、Q5，電阻器R3、R4和電容C5組成?；パa(bǔ)型多諧振蕩器采用兩只不同類型

61、的三極管，其中Q4為NPN型三極管，Q5為PNP型三極管，連接成互補(bǔ)的、能夠強(qiáng)化正反饋的電路。在電路工作時，它們能夠交替地進(jìn)入導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)，產(chǎn)生音頻振蕩。R3既是Q4的負(fù)載電阻器，又是Q4導(dǎo)通時Q5基極限流電阻器。R4是Q5集電極負(fù)載電阻器，振蕩脈沖信號由Q5輸出。C6是反饋電容器，其數(shù)值大小影響振蕩頻率的高低。</p><p>　　4.3.2互補(bǔ)型多諧振蕩器的工作原理</p><p>

62、　　接通電源時,由于Q4的基極接有偏置電阻器R2而被正向偏置,假設(shè)Q4集電極電流處于上升階段，Q5基極電流隨之上升,導(dǎo)致Q5集電極電流劇增,Q5集電極電位隨之迅速升高,由Q5輸出的電流通過與之相連的R4向C6充電,流經(jīng)Q4的基極入地。又導(dǎo)致Q4基極電流進(jìn)一步升高。如此反復(fù)循環(huán)，強(qiáng)烈的正反饋使得Q4、Q5迅速進(jìn)入飽和導(dǎo)通狀態(tài),Q5集電極處于高電平,使多諧振蕩器進(jìn)入第一個暫穩(wěn)態(tài)過程。隨著電源通過飽和導(dǎo)通的Q5經(jīng)R4向C6充電,當(dāng)Q4基極電流

63、下降到一定程度時,Q4退出飽和導(dǎo)通狀態(tài),集電極電流開始減小,導(dǎo)致Q5集電極電流減小.Q5集電極電位下降,這一過程又進(jìn)一步加劇了向C6充電電流迅速減小,Q4基極電位急劇降低而使Q4截止,Q5集電極迅速跌至低電平,多諧振蕩器翻轉(zhuǎn)到第二個暫穩(wěn)態(tài)。多諧振蕩器剛進(jìn)入第二暫穩(wěn)態(tài)時,先前向C6充電的結(jié)果,其電容器上端為正，下端為負(fù)，現(xiàn)在C6下端對地為低電平，由于電容器C6兩端電壓不能躍變，故Q4基極被C6上端負(fù)電位強(qiáng)烈反向偏置，使兩只三極管在較長時間

64、繼續(xù)保持截止?fàn)顟B(tài)。在C6放電時，電流從電容器下端流出，主要流經(jīng)R3、R2，又經(jīng)過電源、R1、R4流回電容器C6上端。直到C6</p><p>　　4.4功率放大電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　如下圖4-13所示，功率放大器是由三極管Q5、蜂鳴器SP等組成。</p><p>　　圖4-13 電路原理圖</p><p>　　4.4.1功率放大器的

65、工作原理和特性</p><p><b>　　1.A類放大器</b></p><p>　　A類放大器的主要特點(diǎn)是:放大器的工作點(diǎn)Q設(shè)定在負(fù)載線的中點(diǎn)附近,晶體管在輸入信號的整個周期內(nèi)均導(dǎo)通。放大器可單管工作，也可以推挽工作。由于放大器工作在特性曲線的線性范圍內(nèi),所以瞬態(tài)失真和交替失真較小。電路簡單，調(diào)試方便。但效率較低，晶體管功耗大，功率的理論最大值僅有25％，且有較&

66、lt;/p><p>　　大的非線性失真。由于效率比較低 現(xiàn)在設(shè)計(jì)基本上不在再使用。 　　</p><p>　　2.B類放大器 　　</p><p>　　B類放大器的主要特點(diǎn)是:放大器的靜態(tài)點(diǎn)在（VCC，0）處，當(dāng)沒有信號輸入時，輸出端幾乎不消耗功率。在Vi的正半周期內(nèi)，Q1導(dǎo)通Q2截止，輸出端正半周正弦波；同理，當(dāng)Vi為負(fù)半波正弦波(如圖虛線部分所示)，所以必須用兩管推

67、挽工作。其特點(diǎn)是效率較高(78%)，但是因放大器有一段工作在非線性區(qū)域內(nèi)，故其缺點(diǎn)是“交越失真”較大。即當(dāng)信號在-0.6V~ 0.6V之間時，Q1、Q2都無法導(dǎo)通而引起的。所以這類放大器也逐漸被設(shè)計(jì)師摒棄。 　　</p><p>　　3.AB類放大器 　</p><p>　　AB類放大器的主要特點(diǎn)是:晶體管的導(dǎo)通時間稍大于半周期，必須用兩管推挽工作?？梢员苊饨辉绞д?。交替失真較大，可以抵消

68、偶次諧波失真。有效率較高，晶體管功耗較小的特點(diǎn)。 　　</p><p><b>　　4.D類放大器 　</b></p><p>　　D類(數(shù)字音頻功率)放大器是一種將輸入模擬音頻信號或PCM數(shù)字信息變換成PWM(脈沖寬度調(diào)制)或PDM(脈沖密度調(diào)制)的脈沖信號,然后用PWM或PDM的脈沖信號去控制大功率開關(guān)器件通/斷音頻功率放大器，也稱為開關(guān)放大器。具有效率高的突出優(yōu)

69、點(diǎn).數(shù)字音頻功率放大器也看上去成是一個一比特的功率數(shù)模變換器.放大器由輸入信號處理電路、開關(guān)信號形成電路、大功率開關(guān)電路(半橋式和全橋式)和低通濾波器(LC)等四部分組成.D類放大或數(shù)字式放大器。系利用極高頻率的轉(zhuǎn)換開關(guān)電路來放大音頻信號的。</p><p>　　(1).具有很高的效率，通常能夠達(dá)到90%以上；</p><p>　　(2).體積小，可以比模擬的放大電路節(jié)省很大的空間；<

70、;/p><p>　　(3).無裂噪聲接通； </p><p>　　(4).低失真，頻率響應(yīng)曲線好。外圍元器件少，便于設(shè)計(jì)調(diào)試。 　　</p><p>　　(5).T類放大器 　</p><p>　　T類功率放大器的功率輸出電路和脈寬調(diào)制D類功率放大器相同，功率晶體管也是工作在開關(guān)狀態(tài)，效率和D類功率放大器相當(dāng)。但它和普通D類功率放大器不同的是：&

71、lt;/p><p>　　(1).它不是使用脈沖調(diào)寬的方法，Tripath公司發(fā)明了一種稱作數(shù)碼功率放</p><p>　　大器處理器“Digital Power Processing （DPP）”的數(shù)字功率技術(shù)，它是T類功率放大器的核心。它把通信技術(shù)中處理小信號的適應(yīng)算法及預(yù)測算法用到這里。輸入的音頻信號和進(jìn)入揚(yáng)聲器的電流經(jīng)過DPP數(shù)字處理后，用于控制功率晶體管的導(dǎo)通關(guān)閉。從而使音質(zhì)達(dá)到高保真

72、線性放大。</p><p>　　(2).它的功率晶體管的切換頻率不是固定的，無用分量的功率譜并不是集中在載頻兩側(cè)狹窄的頻帶內(nèi)，而是散布在很寬的頻帶上。使聲音的細(xì)節(jié)在整個頻帶上都清晰可“聞”。</p><p>　　(3).此外,A類、B類和AB類放大器是模擬放大器，D類放大器是數(shù)字放大器。B類和AB類推挽放大器比A類放大器效率高、失真較小，功放晶體管功耗較小，散熱好，但B類放大器在晶體管導(dǎo)通

73、與截止?fàn)顟B(tài)的轉(zhuǎn)換過程中會因其開關(guān)特性不佳或因電路參數(shù)選擇不當(dāng)而產(chǎn)生交替失真。而D類放大器具有效率高低失真，頻率響應(yīng)曲線好。外圍元器件少優(yōu)點(diǎn)。AB類放大器和D類放大器是目前音頻功率放大器的基本電路形式，T類功率放大器的動態(tài)范圍更寬，頻率響應(yīng)平坦。DDP的出現(xiàn)，把數(shù)字時代的功率放大器推到一個新的高度。在高保真方面，線性度與傳統(tǒng)AB類功放相比有過之而無不及。</p><p>　　4.4.2高頻振蕩金屬探測器的工作原理&

74、lt;/p><p>　　由圖4-12所知，三極管Q1、電感L1、L2電容C2、C3、電阻R1、W組成高頻振蕩電路，調(diào)節(jié)電位器W，可以改變振蕩增益，使振蕩器處于臨界振蕩狀態(tài)，也就是說剛好起振。三極管Q2、Q3組成檢測電路，電路正常振蕩時，三極管Q2導(dǎo)通，Q3截止；當(dāng)探測線圈L1靠近金屬物體時，會在金屬導(dǎo)體中產(chǎn)生渦電流，使振蕩回路中的能量損耗增大，正反饋減弱，處于臨界狀態(tài)的振蕩器振蕩減弱，甚至無法維持振蕩所需的最低能量而

75、停振，使得三極管Q2截止，Q3導(dǎo)通，給三極管Q4、Q5組成的音頻振蕩電路供電工作，推動蜂鳴器發(fā)聲。根據(jù)聲音的有無，就可以判定探測線圈下面是否有金屬物體了。</p><p>　　4.4.3系統(tǒng)原理圖及電路工作的邏輯原理</p><p>　　圖4-14 系統(tǒng)原理圖</p><p>　　當(dāng)金屬探測器開始工作時，調(diào)節(jié)電位器W，改變振蕩增益，使振蕩器處于臨界狀態(tài)，也就是剛好

76、使振蕩器起振。由L1、C3組成并聯(lián)諧振，來選擇頻率=26852HZ。這時三極管Q2導(dǎo)通，則VEC2較小，三極管Q3的發(fā)射極上的電壓降VEB3=VEC2較小，所以三極管Q3截止。即三極管Q3的發(fā)射極與集電極之間的等效電阻很大，三極管Q3之后的電路不工作了。</p><p>　　當(dāng)金屬探測器接近金屬物體時，會在金屬導(dǎo)體中產(chǎn)生渦電流，使得振蕩回路中的能量損耗增大，正反饋減弱，處于臨界態(tài)的振蕩器振蕩減弱，甚至無法維持振蕩

77、所需的最低能量而停振。這時三極管Q2截止，則三極管Q2相當(dāng)于一個很大的電阻，三極管Q3的發(fā)射極獲得較大的電壓，三極管Q3導(dǎo)通，則帶動Q3管之后的電路工作，推動蜂鳴器發(fā)聲。</p><p>　　4.4.4用Multisim畫的電路圖及仿真圖</p><p>　　圖4-15 沒有靠近金屬物體時Multisim仿真電路圖</p><p>　　如上圖4-15所示，是沒有靠

78、近金屬物體時的仿真電路，這時電感L1上沒有渦流損耗，用電感L1串聯(lián)10k歐的電阻R0表示。</p><p>　　圖4-16 未接觸金屬物體時的仿真圖</p><p>　　這時如上圖4-16所示，Q3晶體管發(fā)射極與集電極之間的電壓很大約為4.5伏，處于截止?fàn)顟B(tài)，Q4、Q5組成的音頻振蕩電路不工作，蜂鳴器不發(fā)聲。</p><p>　　圖4-17 靠近金屬物體時Mul

79、tisim仿真電路圖</p><p>　　如上圖4-17所示，是靠近金屬物體時的仿真電路，這時電感L1上產(chǎn)生渦流損耗，用電感L1串聯(lián)1歐的電阻R0表示。</p><p>　　圖4-18 接觸金屬物體時的仿真圖</p><p>　　這時如上圖4-18所示，Q3晶體管發(fā)射極與集電極之間的電壓約為0伏，處于導(dǎo)通狀態(tài)，Q4、Q5組成的音頻振蕩電路得到有效的工作電壓，驅(qū)動蜂

80、鳴器發(fā)聲。</p><p><b>　　5 結(jié)論</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)方案按照任務(wù)書的要求理解高頻振蕩金屬探測器的工作原理，通過對高頻振蕩電路、檢測電路、音頻振蕩電路和功率放大電路的了解，以及查閱大量的資料，漸漸學(xué)會了如何設(shè)計(jì)各個單元電路，如何克服遇到的困難，基本上完成了本次的設(shè)計(jì)任務(wù)。</p><p>　　整個過程中，復(fù)習(xí)了很多

81、以前的知識，，覺得收獲頗豐，對以前不是很了解明白的，也知道的清楚明朗多了。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　剛開始做畢業(yè)設(shè)計(jì)的時候，感覺自己什么都不會，不知道該從什么地方下手，真的是很茫然的。還好，有導(dǎo)師柯老師的耐心指導(dǎo)，教會了我該一步一步怎么做，先做什么在做什么，讓我的設(shè)計(jì)之路漸漸寬廣明朗起來，經(jīng)過這段時間的辛勤勞動，畢業(yè)設(shè)計(jì)終于快

82、要進(jìn)入尾聲了。在此，我真的很感謝我的導(dǎo)師柯老師，還有周圍同學(xué)們的幫助，要是沒有你們在身邊，我真的不敢想象。謝謝你們！在不懂的時候出現(xiàn)在我身邊！在一些細(xì)微的地方給予說明和幫助，讓我少走了很多彎路，加快了進(jìn)度！</p><p>　　最后我還要感謝電子系和我的母校對我的栽培，還有評閱本論文付出辛勤勞動的老師們！</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p>

83、;<p>　　[2] 張學(xué)勇,趙群,李義寶,唐震.一種金屬探測器的設(shè)計(jì)[J].安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2007.6.</p><p>　　[3] 楊清亮,程文莉.一種實(shí)用的寬帶高頻壓控振蕩器及其功率放大器[J].電氣自動化,1992,(03):73-73.</p><p>　　[4] 司德平.漫談金屬探測器[J].物理通報(bào),2006.4.</p><p>

84、;　　[5]劉慧娟,張奕黃.一種數(shù)字金屬探測器的設(shè)計(jì)[J].北京交通大學(xué)儀器儀表學(xué)報(bào),2004.8.</p><p>　　[6] 張英勇. 通道式金屬探測器的識別能力[J]. 警察技術(shù) , 1994,(03)：62-62.</p><p>　　[7] 楊志民,馬義德.現(xiàn)代電路理論與設(shè)計(jì)[M].清華大學(xué)出版社,2009,2.</p><p>　　[8] 張英勇. 通道

85、式金屬探測器的識別能力[J]. 警察技術(shù) , 1994,(03)：43-43.</p><p>　　[9] 邱關(guān)源.現(xiàn)代電路理論[M].北京：高等教育出版社,2001.</p><p>　　[10]張英勇. 影響通道式金屬探測器性能的幾個因素[J]. 警察技術(shù) , 1994,(02):57-57.</p><p>　　[11] 三元件金屬探測器[J].實(shí)用影音技術(shù),

86、2005,(02):23-24.</p><p>　　[12] Yichang Sun. Note on two integrator loop OTA-C configurations. Electronics Letters, Vol.34(16),1998.</p><p>　　[13] Jones D A martin K.Analog integrated circuit des