檢測和跟蹤小型金屬物體的傳感器是方便的小工具,無論是用于在裝配線上布置工件,還是在海灘上尋找丟失在沙子中的“寶藏”。典型的傳感器設計包括集成到振蕩器中的電感器,因此金屬進入電感器的磁場會改變振蕩頻率。圖 1顯示了一個特別簡單且廉價的示例,該示例可生成約 100 kHz 可變頻率脈沖串,適合直接輸入到典型 MCU 的內部計數器/定時器外設。
圖 1將觸發器輸出與扼流圈交叉耦合,形成周期與電感成正比的振蕩器,從而形成金屬物體的簡單傳感器。
這是它的工作原理。
Q1、Q2 和相關的 R 組成基本置位/復位雙穩態多諧振蕩器(觸發器),只要提供電源,該多諧振蕩器通常會穩定并保持兩個穩定且互斥狀態之一:Q1 ON 和 Q2關閉,反之亦然。但當如圖所示在晶體管集電極之間添加電感器 L 時,事情會變得更有趣(并且不太穩定)。
現在,由于 OFF 晶體管的集電極(約 2.5 V)和 ON 晶體管的集電極(約 0V)之間存在電壓差,并且假設扼流圈串聯電阻 《《 Rn(n = 1、2、3 或4),電流開始通過 L 斜坡上升,時間常數為 L/(R/2)。這會降低 OFF 晶體管集電極的電壓,從而降低提供給 ON 晶體管基極的電流。終,基極電流降得太低,晶體管的電流增益無法使其保持飽和,從而使其關閉。隨后,扼流電流 (I L ) 將該晶體管的集電極驅動至 5 V,并將相反的晶體管導通,導致 I L開始反向并開始新的振蕩半周期,每個半周期都有一個周期的:
Thalf = (L/R/2)Log e (hfe),
R = R n n = 1、2、3 或 4;L = 扼流圈電感,
hfe = 晶體管電流增益。
因此,
Fout = 1/Tcycle = (R/L)/Log e (hfe),
2N3904 的典型 hfe 為 ~150,因此 Log e (hfe) ~ 5,且
Fout = R/L/5。
圖 2和圖 3更詳細地顯示了時序關系的來源。使用圖 1 的電阻器和電感器值,
Fout = 1000 歐姆/2 mHy/5 = 100 kHz。
圖 2約 5μs 振蕩半周期期間的電感電流波形。
圖3振蕩器波形:I L和Q1、Q2 輸出信號。
當然,實際的 2N3904 hfe 既取決于器件又取決于溫度,并且真正的扼流圈具有顯著的串聯電阻、寄生電容,而且很少是精密元件。因此,上面的頻率表達式有些近似,但仍然足夠準確,不會干擾預期的應用。
5 V 的功耗適中,約為 50 mW,并且該電路對電源電壓的耐受性極高,可以在 《1 V 至 》 10 V 的范圍內運行,前提是輸出幅度取決于電源這一事實是可以接受的。