电气工程CAD课程设计模板

东北石油大学课程设计2013年3 月22日东北石油大学课程设计任务书课程电气工程CAD题目金属探测器专业姓名学号主要内容：根据设计要求，运用所学的模拟电子技术及电路基础等知识，自行设计一种可以准确探测小范围内是否存在金属物体的电子装置，采用声音报警方式提示使用者附近存在金属物体或提示电池电力不足。

基本要求：1.工作温度范围：-40℃～+50℃2.连续工作时间：一组5号干电池可连续工作40h（小时）。

3.探测距离大于20cm（金属物体越大，测距也越大，对1分硬币的探测距离是20cm）。

4.具有自动回零功能，并可抑制土壤效应。

主要参考资料：[1] 陈有卿.实用电子制作精选[M].北京：机械工业出版社，1994.11[2] 鹤壁市金属探测器厂撰文.金属探测器TC系列[J].北京电子报.1995年第22期[3] 张凤言.电子电路基础[M].北京：高等教育出版社，1995[4] 电子电路百科全书编辑组. 电子电路百科全书[M].北京：科学出版社.1988[5] 房旭民撰文.一种高灵敏度的金属探测器[J].电子技术应用.1991年第9期[6]彭介华.电子技术课程设计指导[M].高等教育出版社，1997.[7] 李哲英等．实用电子电路设计[M]．北京：电子工业出版社,1997.完成期限2013.3.4——2013.3.22指导教师专业负责人2013年3 月22日目录1 任务和要求 (1)2 总体方案设计与选择 (1)2.1 高频振荡器探测金属 (1)2.2 场强识别探测金属 (1)2.3 六反相器数字集成电路探测金属 (2)3 电路总原理框图设计 (2)4 单元电路设计 (3)4.1 直流电源及振荡、检波电路设计方案 (3)4.2 前置放大电路设计方案 (4)4.3 电压-电流变换电路 (5)4.4 电流-频率变换电路 (6)4.5 直流电源欠压报警电路 (6)5 单元电路的级联设计 (7)6 设计总结 (7)参考文献 (8)附录 (9)1任务和要求(1)任务：设计一种可准确探测小范围内是否存在金属物体的电子(2)探测器性能要求➢工作温度范围：-40℃——+50℃➢连续工作时间：一组5号干电池可连续工作40h（小时）。

➢探测距离大于20cm（金属物体越大，测距也越大，对于1分硬币的探测距离为20cm）。

➢具有自动回零功能，并可抑制土壤效应。

2 总体方案设计与选择2.1 高频振荡器探测金属调节高频振荡器的增益电位器，恰好使振荡器处于临界振荡状态，也就是说刚好使振荡器起振。

当探测线圈L靠近金属物体时，由于电磁感应现像，会在金属导体中产生涡电流，使振荡回路中的能量损耗增大，正反馈减弱，处于临界态的振荡器振荡减弱，甚至无法维持振荡所需的最低能量而停振。

如果能检测出这种变化，并转换成声音信号，根据声音有无，就可以判定探测线圈下面是否有金属物体了。

图1 高频振荡器探测金属原理图2.2场强识别探测金属场强识别：利用金属物体对信号产生谐波的场强变化而使振幅之变化来识别金属物体。

利用探头线圈产生交变电磁场在被测金属物中感应出涡流，涡流产生反作用于探头，使探头线圈阻抗发生变化，从而使探测器的振荡器振幅也发生变化。

该振幅变化量作为探测信号，经放大、变换后转换成音频信号，驱动音响电路发声，音频信号随被测2.3六反相器数字集成电路探测金属应用一块cMos六反相器数字集成电路，作为放大电路的金属探测器，金属探测器的原理电路图如下：图2 六反相器数字集成电路金属探测器的探头是一只高Q值的电感L。

它与反相器IC—l及电容器C2、C3、C4构成了一个电容三点式振荡器，其振荡频率约为27kHz。

调节电位器RP可使电路处在刚刚起振的状态下。

微弱的振荡信号通过由反相器IC-2和电阻R1组成的放大电路进行放大，再由二极管VDI进行整流，整流后的信号由反相器IC-3和IC-4进行放大。

最后通过二极管VD2去控制由1C-5和IC-6构成的音频振荡器的工作状态。

作为探头的电感L在没有接近金属物体时，电路正常起振。

振荡信号控制音频振荡器停止工作，扬声器不发声。

当有金属物体接近电感时(电感线圈的轴向方向)，电感L的Q值下降，电路停振，没有信号去抑制音频振荡器，所以音频振荡器工作，驱动扬声器发声。

使用时，接通电源后，仔细调整电位器RP使扬声器刚刚不响．这时灵敏度较高，探测距离可达5mm——20mm。

方案一用到了高频振荡器，价格比较高，虽然探测的效果比较好，但是制作起来比较麻烦，不适合作为课程设计的选择。

方案三设计思路明确，结构合理，方案易于实现，但探测的距离过小，不能满足课题要求。

方案二只用到了简单的元件并且设计合理，既具备了方案一的优点又解决了方案三的不足。

因此选用方案三作为本课题的原理方案。

3电路总原理框图设计金属探测器的原理框图如图3示。

4 单元电路设计4.1 直流电源及振荡、检波电路设计方案系统稳压电源采用集成三端稳压器CW79L05组成，其输入端接电池（-12V ），输出稳压值为-5V 。

采用变压器耦合正弦波振荡器、二极管3D 和电容5C 组成检波电路，原理如图4示。

图中，1L 、2L 、3L 和4L 为绕在同一磁罐内的四组线圈。

当电源接通后，电路产生振荡，其输出电压幅度指数上升至三极管饱和。

为防止产生振荡阻塞，须选择合适的匝数比可取。

43C R 、为射极偏置电路，65C 、L 构成探头谐振回路。

为提高探测器的灵敏度，要求探头电感线圈有较高的电压，可利用变压器升压来实现。

当无金属物体时振荡器的振荡频率)2/(165C L f ∏=图4 直流电源及振荡、检波电路能力很弱的变压器次级3L 两端的电压发生明显变化，经取样电感4L 及检波电路将此信号转换成直流探测信号输出。

部分元件参数选择：取21L L ：=1：5，32L L ：=1：150，5L =3.5mH ，6C =0.01µF ，则f =26.9kHz 。

4.2 前置放大电路设计方案前置放大电路用差动输入放大器组成，如图5示。

其静态工作点如下BQ CQ I I β=BQ EQ I I )1(β+=eBEQEE EQ R U V I 2-≈C CQ BEQ CC BEQ R I U V U -+=图中211R C R 、、及2C 构成差动积分电路，即自动回零电路，其作用是对变化缓慢的直流信号进行抑制，而对变化较快的金属探测信号进行100倍放大，从而在一定程度上抑制了土壤效应。

当I v 为缓变直流信号时，由于积分电路时间常数较小10111==C R τms,220222==C R τms21C C 、可视作开路，由于参数对称，则0=vo 。

当I v 为脉动信号时（即在原检波输出电压基础上叠加脉动变化量I v ∆）。

2211C R C R 、组成差动积分电路（积分器负载电阻较大，其影响可忽略）由经典法得)(100)(451001236t t I o e e v v v R R v ---∆=-=可求得5.32=t s 时，输出达最大值5.82=o v mV 。

随时间延长，o v 逐渐减小，1=t s 时，0≈o v V 。

可见前置放大器可抑制大于1s 的慢变干扰信号。

部分元件的选择：放大器选择DG747型号，电容C 3选择0.047μF ，电阻R 6取 100k Ω,R 1、R 2取10k Ω,R 3、R 4取1k Ω。

4.3 电压-电流变换电路电压-电流变换电路用运算放大器和三极管等组成电流负反馈电路，如图6所示。

对晶体管进行动态分析有：810)1(R r R U U A be i o u ββ++==8)1(R r R be i β++=10R R o =由前置放大器输出的直流脉动信号经本级方大后得到稳定的恒流输出，以驱动后级图6 电压-电流变换电路电流-频率变换器。

图中w R 为系统工作状态调节电位器。

静态时，调节w R 使三极管工作临界截止状态，二极管接近于导通。

一旦I v 输入脉动放大信号，三极管进入放大状态，二极管迅速导通，驱动下一级工作。

电阻9R 取值较大（2.2M Ω），使得三极管T 集电极电流稍有变化，就会使二极管D 迅速导通。

4.4 电流-频率变换电路电流-频率变换电路的作用是将前级放大后的直流信号转换成音频信号，驱动耳机发出声响。

金属物体越大或者探头离金属物体越近，其输出的信号就越强，频率就越高。

采用CMOS 时基电路CH7555构成由输入电压控制的多谐振荡器，电路如图7示。

图中，输入信号I v 控制电容器2C 的充电时间，从而决定输出音频信号的频率，实现电流-频率转换。

当I v 无信号输入时（前级输出端二极管截止，电流为零），由D C R 、、12产生充放电信号，使变换器输出一个间隔约3s 的窄脉冲，耳机中产生一间隔为3s 的“搭-搭”声，以示无探测信号。

当探测到金属物体时，耳机中声响的频率增高，信号加大。

部分元件的选择：R 5取8.2kΩ，R 6取20kΩ，C 3取0.01μF ，C 2取0.015μF ，R 1取1kΩ，R 2取18kΩ。

4.5 直流电源欠压报警电路当电池电压T v 由-12V 变至-6.5V 时，使三端稳压器输出稳压值产生较大偏差，应更换新电池，故采用一检测报警电路告之用户。

报警电路如图8所示。

图7 电流-频率变换电路用CMOS 时基电路CH7555和阻容元件组成多谐振荡器，采用-5V 稳压电源供电。

当T v 下降至-6.5V 时，电路起振，发出电压不足报警信号。

该振荡器的振荡频率9.4 f kHz ，比探测信号频率高，且固定不变，因此不会与探测信号相混淆。

5 单元电路的级联设计将直流电源、振荡器、检波器、前置放大电路、电压-电流变换器、电流-频率变换器依照图3所示的顺序，采用直接耦合的方式连接，就构成了完整的金属探测器的原理图，如附录图所示。

6 设计总结通过为期一周的课程设计，我深刻体会到了自己知识的匮乏。

我深深的感觉到自己知识的不足，自己原来所学的东西只是一个表面性的，理论性的，而且是理想化的。

根本不知道在现实中还存在有很多问题。

真正的能将自己的所学知识转化为实际所用才是最大的收获，也就是说真正的能够做到学为所用才是更主要的。

设计一个很简单的电路，所要考虑的问题，要比考试的时候考虑的多的多。

本次课程设计所设计的金属探测器基本符合设计要求，可以探测出20cm 范围内的金属物体的存在，而且对于体积较大的金属物体，探测的范围会相应的增大，考虑到该装置使用电池供电，还设计了电源欠压提示功能，提醒用户及时更换电池。

设计电路时，要考虑到它的前因后果，用什么样的电路实现什么什么样的功能。

另外，还要考虑到电路的可行性，实用性等。

本次课程设计要求多学科知识综合应用，锻炼了设计者的动手能力，加深了对各个学科的理解和掌握，总之，通过这次课程设计，不仅使我对所学过的知识有了一个新的认识。