检测和跟踪小型金属物体的传感器是方便的小工具,无论是用于在装配线上布置工件,还是在海滩上寻找丢失在沙子中的“宝藏”。典型的传感器设计包括集成到振荡器中的电感器,因此金属进入电感器的磁场会改变振荡频率。图 1显示了一个特别简单且廉价的示例,该示例可生成约 100 kHz 可变频率脉冲串,适合直接输入到典型 MCU 的内部计数器/定时器外设。
图 1将触发器输出与扼流圈交叉耦合,形成周期与电感成正比的振荡器,从而形成金属物体的简单传感器。
这是它的工作原理。
Q1、Q2 和相关的 R 组成基本置位/复位双稳态多谐振荡器(触发器),只要提供电源,该多谐振荡器通常会稳定并保持两个稳定且互斥状态之一:Q1 ON 和 Q2关闭,反之亦然。但当如图所示在晶体管集电极之间添加电感器 L 时,事情会变得更有趣(并且不太稳定)。
现在,由于 OFF 晶体管的集电极(约 2.5 V)和 ON 晶体管的集电极(约 0V)之间存在电压差,并且假设扼流圈串联电阻 《《 Rn(n = 1、2、3 或4),电流开始通过 L 斜坡上升,时间常数为 L/(R/2)。这会降低 OFF 晶体管集电极的电压,从而降低提供给 ON 晶体管基极的电流。终,基极电流降得太低,晶体管的电流增益无法使其保持饱和,从而使其关闭。随后,扼流电流 (I L ) 将该晶体管的集电极驱动至 5 V,并将相反的晶体管导通,导致 I L开始反向并开始新的振荡半周期,每个半周期都有一个周期的:
Thalf = (L/R/2)Log e (hfe),
R = R n n = 1、2、3 或 4;L = 扼流圈电感,
hfe = 晶体管电流增益。
因此,
Fout = 1/Tcycle = (R/L)/Log e (hfe),
2N3904 的典型 hfe 为 ~150,因此 Log e (hfe) ~ 5,且
Fout = R/L/5。
图 2和图 3更详细地显示了时序关系的来源。使用图 1 的电阻器和电感器值,
Fout = 1000 欧姆/2 mHy/5 = 100 kHz。
图 2约 5μs 振荡半周期期间的电感电流波形。
图3振荡器波形:I L和Q1、Q2 输出信号。
当然,实际的 2N3904 hfe 既取决于器件又取决于温度,并且真正的扼流圈具有显着的串联电阻、寄生电容,而且很少是精密元件。因此,上面的频率表达式有些近似,但仍然足够准确,不会干扰预期的应用。
5 V 的功耗适中,约为 50 mW,并且该电路对电源电压的耐受性极高,可以在 《1 V 至 》 10 V 的范围内运行,前提是输出幅度取决于电源这一事实是可以接受的。