东海科学技术学院
毕业论文（设计）
题目：金属探测仪
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金属探测仪器
摘要
本设计利用电子技术的知识设计了电缆探测仪，可以探测墙壁，地毯下的电缆。本次设计选用了电压反馈震荡器、方波振荡器、三极管的混频和反馈放大电路。探测线圈是整个电路的关键所在，通过探测线圈探测到金属在通过高频信号后产生的涡流信号，当探测线圈接近通有高频信号的电缆时，探测振荡器产生一个探测频率，此频率根据探测线圈距离电缆的位置来得到的；方波震荡器产生的振荡信号频率是固定的信号；在方波振荡器和探测电路处的电压反馈振荡器产生的两个频率，在三极管的混频电路处进行混频得到的有两个信号一个是频和一个是频差，在把两个信号通过选频处选频得到的一个频差信号，在输送到反馈放大器进行放大最后通过耳机输出，使得人能听到声音。既听声音的强弱来判断电缆的位子。三极管是进入零导通状态，在探测线圈没有探测到任何信号的时候探测电路处的振荡电路不会产生振荡信号，而方波振荡器仍旧能产生一个方波信号，输入到三极管混频电路中，由于没有外加信号使得不能产生混频信号，因此三极管混频电路不工作，把信号输入到接地处，整个电路不工作。本设计具有结构简单，性能可靠的优点。
关键字：电缆探测仪;电压反馈震荡器;反馈放大电路
Abstract
Thedesignoftheknowledgeoftheuseofelectronictechnologydesignedcabledetector[5],candetectwalls,undercarpetcable.Thedesignusesavoltagefeedbackoscillator,square-waveoscillator,themixingandfeedbacktransistoramplifiercircuit.Detectioncoilisthekeytothewholecircuit,throughthedetectioncoiltodetectmetalinthehigh-frequencysignalgeneratedbytheeddycurrentsignal,whenthedetectioncoilclosetothehigh-frequencysignalsthroughacable,theprobefrequencyoscillatortogenerateaprobe,thefrequencyaccordingtodetectioncoilpositionfromthecabletoget;squarewaveoscillatorsignalgeneratedbyoscillationsignalfrequencyisfixed;inthesquarewaveoscillatorandvoltagedetectioncircuitDepartmenttwofeedbackoscillatorfrequency,thetransistormixercircuitDepartmentformixingtwosignalsobtainedbyonefrequencyandoneisthefrequencydifference,thetwosignalsinthefrequencyofofficebytheelectionofaselectedfrequencybyfrequencydifferencesignaltothefeedbackamplifierinthetransmissiontoamplifythefinaloutputthroughheadphones,makingonecanhearthesound.Notonlyhearthesoundtodeterminethestrengthofthecableseat.Transistoristhezero-state,inthedetectioncoilisnotthetimetodetectanysignalofoscillationcircuitdetectioncircuitDepartmentdoesnotproduceoscillationsignal,whilethesquarewaveoscillatorisstillabletoproduceasquarewavesignalinputtotransistormixercircuittheabsenceofexternalsignalsocannotproducemixingsignals,thetransistormixercircuitdoesnotwork,thesignalinputtogroundoffice,thecircuitdoesnotwork.Thisdesignhasasimplestructure,reliableperformanceadvantages
Keyword:Cabledetector,voltagefeedbackoscillator,feedbackcircuit
目录
第一章绪论 1
1.1．金属探测器的介绍 1
1.2金属探测器的发展前景 1
1.3金属探测器的应用 2
第二章设计要求和设计方案 3
2.1设计要求 3
第三章单元电路的设计 4
3.1探测电路的设定 4
3.1.1压控振荡器 6
3.2固定信号的产生 7
3.3混频器和选频 12
3.3.1混频器的主要性能指标 14
3.4放大电路的分析 15
3.4.1放大器的性能和指标 15
3.4.2微变等效电路法 16
3.4.3低频信号功率放大器 17
第四章总设计电路图 19
第五章小结 21
致谢 22
参考文献 23
第一章绪论
1.1．金属探测器的介绍
谈起金属探测器[3]，人们就会想到探雷器，工兵用它来探测掩埋的地雷。事实上金属探测器是一种探测用的电子仪器，可以用到各个领域上。在军事上，可用金属探测器来探测掩埋的地雷；在公安部门，可探测随身携带或隐藏的武器及作案工具；在考古方面，可发现埋藏金属物品的古墓，发现古墓中的金银财宝、首饰、银币等；在工程方面，用与探测地下金属埋设物，管道，管线等；在矿产勘探中，用来探测和发现自然金属颗粒及金属块；工业上可用于再线监测，如去除棉花，煤炭和食品中的金属杂物等。在航空方面，金属探测器可以检测旅客是否带着金属物品上飞机，防止出现飞机事故，劫机事件等；在生活方面，一些公司为了防止出现和员工间的矛盾，用来检测员工进出公司身上是否带着金属，从而大大降低了公司损失和员工的不规范操作；金属探测器还可以作为开展青少年国防教育和科普活动的用具，当然也不失为是一种有趣的娱乐工具。
1.2金属探测器的发展前景
金属探测器根据功能和市场应用领域不同可以分为以下几种：手持式金属探测器、便携式金属探测器、台式金属探测器、工业用金属探测器和水下金属探测器[8]。
全球第一台金属探测器诞生于1960年，步入工业时代最初的金属探测器也主要应用于工矿业，是检查矿产纯度、提高效益的得力帮手。随着社会的发展，犯罪案件的上升。1970年金属探测器被引入一个新的应用领域——安全检查，也就是今天我们所使用的金属探测门雏形，它的出现意味着人类对安全的认知已步入一个新纪元。
一个产品的出现带动了一个行业的发展，于是安检这个既陌生又熟悉的行业开始进入市场。40多年过去了，金属探测器经历了几代探测技术的变革，从最初的信号模拟技术到连续波技术直到今天所使用的数字脉冲技术，金属探测器简单的磁场切割原理被引入多种科学技术成果。无论是灵敏度、分辨率、探测精确度还是工作性能上都有了质的飞跃。应用领域也随着产品质量的提高延伸到了多个行业。
70年代随着航空业迅速发展，劫机和危险事件的发生使航空及机场安全逐渐受到重视，于是在机场众多设备中金属探测门扮演着排查违禁物品的重要角色。同样在70年代，由于金属探测门在机场安检中的崭露头角，大型运动会（如奥运会）展览会及政府重要部门的安全保卫工作中开始启用金属探测门作为必不可少的安检仪器。
发展到80年代，监狱暴力案件呈直线上升趋势，如何及早有效预防并阻止暴力案件发生成了监狱管理工作中的重中之重，在依靠警员对囚犯加强管理的同时，金属探测门再次成为了美国、英国、比利时等发达国家监狱管理机构必备的安检设备，形成平均每300个囚犯便使用一台金属探测门用于安检；与此同时西方兴起的“寻宝热”，也使手持式、便携式金属探测器得到长足的发展。
进入90年代，迅速升温的电子制造业成了这个时代的宠儿，大型的电子公司为了减少产品流失、结束员工与公司之间的尴尬局面，陆续采用金属探测门和手持式金属探测器作为管理员工行为、减少产品流失的利刃。于是金属探测器又有了它新的角色——产品防盗。
9.11事件以后,反恐成为国际社会一个重要议题。爆炸案、恐怖活动的猖獗使恐怖分子成了各国安全部门誓要打击的对象。此时国际社会对“安全防范”的认知也被提到一个新的高度。受9.11事件影响，各行各业都加强的保安工作的部署，正是受此影响，金属探测器的应用领域也成功的渗透到其他行业。然而，此时简单的通道式金属探测门已不能完全满足安检的要求，安保人员[15]。
需要的是一种能准确判定金属物品藏匿位置的安检产品。于是多区位金属探测技术孕育而生，它的诞生是金属探测器发展历史上的又一次变革，原来单一的磁场分布变成了现在相互叠和而又相对独立的多个磁场，再根据人体工程学原理把门体分为多个区段使之与人体相对应，相应的区段在金属探测门上形成相对的区域，这样金属探测门便拥有了报警定位功能
从金属探测器的发明到如今各个领域对金属探测器的使用，各种各样的金属探测器层出不穷。从最初的信号模拟技术到连续波技术知道今天所使用的数字脉冲技术，金属探测器简单的磁场切割原理引入多种科学技术成果。无论灵敏度、分辨率、探测精确度还是工作性能上都有了质的飞跃。应用领域也随着产品质量的提高而延伸到了多个行业。
1.3金属探测器的应用
金属探测器除了应用在食品[6]、纺织、服装、矿冶、寻宝、探雷等领域，还逐步扩大到木材、药品、玩具、安检等方面。另外，还出现了X光红外探测器系列，能够指示在食品中金属杂质所在的位置和大小，同时因故用在安检领域也是提高了检测水平。目前，研究人员利用电磁波谱的另外一部分：万亿赫兹辐射或称T射线。T射线有可能改变诸如机场安全和医学成像等领域的现状，这样时评加工商能探测密封包装食品的含水量，以确保其新鲜度。TeraView公司还致力于研发可置于码头的金属探测器[7]，这种探测器可看到大衣口袋中的剃须刀。
食品是人们日常生活中不可或缺的物质资源，其质量的好坏将直接影响人们的生活质量与身体健康。在食品生产过程中，金属探测器的应用是纸浆控制的有效手段之一。目前食品行业普遍实行国际食品技术委员会HACCP质量体系人证，为食品安全提供强有力的保障。在实施HACCP过程中，金属检测常被确定为关键控制点而受到严格的把关。
在生产过程中，凡是直接接触金属表面的工序，都有可能引入金属杂质。而金属探测在生产中的摆放位置是否合理，决定了食品生产质量以及生产成本的高低。如果放置于生产线前几道工序，将会漏掉以后几道工序的金属检测；如果放置于生产线最后几道工序，势必会造成返工以及包装材料浪费。
通过对食品企业的考察和分析，发现在食品生产过程中，可能引入铁、铜、铝、钢、等多种金属杂质，为了有效地将其去除，需要有针对性的选择金属探测器的型号以及样式。
第二章设计要求和设计方案
2.1设计要求
⒈设计要求，设计一个用于检测埋于建筑物内电缆线等金属物体的装置。可探测金属体的直径大于2mm的线状物或面积大于20×20mm块状物，探测距离不小于20mm。探测仪用电池供电
2．为了检测建筑物中的电缆等金属物体，由于电缆等金属物体都有一个属性，导电性，当高频电磁波辐射[8]到金属后，引起涡流[11]效应，从而使辐射体的若干参数发生变化，如等效阻抗、等效电感量、电容量等变化，在将这些参数的变化成电压电流或音调的变化效果作为输出指示。因此，探测电缆的设计相当于探测金属，即本次设计的内容为金属探测仪的设计
3.实现金属探测的方法很多下面就介绍三种类型的金属探测器如下：
①频差式检测电路[4]
由频率为f1探测振荡电路，频率为f2的参考震荡电路，混频器，滤波器和放大电路和输出电路组成。如图（2.1）
图2.1频差式金属检测电路框图
探测电感作为电路的振荡元件，当电感靠近金属时，必定会引起振荡频率的偏移。以次为原理，将探测电感所决定的振荡信号与固定频率的振荡信号进行混频，产生频差值，用耳机接听。由于人的耳朵对频率的敏感度很高，有稍微一点的频率偏移就能分辨出，因此用这一方式设计的金属探测器灵敏度较高，应用也广泛。
频差式金属探测器的优点在于简单方便，通过听声音就能知道电缆的大体位置。
②双线圈金属探测仪
本双线圈金属探测器[7]由探测头、发射器、接收器、定时器个音响发生器组成，如图2.2所示，金属探测器是利用发射线圈和接收线圈的互感耦合原理制作的，当线圈接近金属体时，由于参数的变化，使得频率发生变化，发出高频音响信号。
图2.2双线圈金属探测仪的原理图
双线圈金属探测仪[14]，其工作中要是出现其他信号时，分辨不出是否是接近金属还是接近带有信号的其他事物，因此本次设计不准备采用来制作这个探测仪。
③．能耗型金属探测器。
能耗型金属探测器[16]就是基于电磁感应的涡流引起的能量损耗，在电路中等效为振荡电路的负载电阻加重，使得放大电路的电压下降，造成振荡信号幅度下降，直止停振。利用这一特性，振荡电路后连接信号幅度检测电路，在通过其他适当的方式进行指示，以实现自动测量。这一方案能省区人为的干预，适合现行测量。
本次设计选用的是频差式金属探测器设计方案。
第三章单元电路的设计
3.1探测电路的设定
根据对金属探测仪的原理[8]的分析，探测电路中探头感应到的是电感量的大小，即探测电路中用到LC振荡电路。这里为了方便就采用了电压反馈振荡电路，反馈电路中是有L2C2和R4控制电压来反馈的电路图如下图3.1
图3.1探测电路图
根据上图，探测振荡器的振荡频率：
从上公式开出，当振荡电路的参数确定后，振荡频率f1与电感量L和电容C有关，电感量的大小与被测物体的性质和大小有关，当被测物体是有铁磁性[11]的材料时，由于导磁率高，似的探测线圈接触到的总电感量增加，变成L+L1；当检测的物体是不具有铁磁性的金属材料时，由于金属物体的涡流[3]损耗，使得探测线圈的电感量[9]减少，变成L-L2；一般来说L1≠L2他们的大小取决于被测物体的性质和形状。参考振荡器的振荡频率f2固定不变，在没有探测到物体接近探测线圈的时候，一般要求f2略大于f1在混频器中混频，可得到2个频率，即（f1+f2）和（f2-f1），在通过滤波器选取需要的频率(f2-f1)信号送入放大器，
放大后输出，接耳麦听声音。在本次的设计中主要是接收通有高频信号的电缆，在接近电缆的时候电感量变成L+L1，即电感量增加f1频率减小，f2-f1较大，经过放大后输出的信号强，听到的声音高；相反，当探测线圈远离电缆，使得探测线圈接触到的电感量减少即L+L2，（L2小于L1），则f1’大于f1，则通过混频后输出的信号f2-f1’小于f2-f1，经过放大器输出的信号频率小，通过耳麦听到的声音弱。因此通过听声音的强弱来判断出电缆的位置分布。
=
其中C1=4700PF，L则根据探测线圈和被测电缆的接距来计算因此不是固定值。电容C2、L和R4组成一个类似于电压功能的器件，对通过Q1的频率f1进行反馈放大。
压控振荡器[1]的主要性能指标为压控灵敏度和线形度。压控灵敏度定义为单位控制电压引起的振荡频率的变化量，用S表示，即
S=f0
图3.2示出了一压控振荡器的频率-压控电压特性，一般情况下，这一特性是非线形的，非线形程度与变容管变容指数以及电路形式有关。
图3.2压控振荡器的频率与控制电压的关系
3.1.1压控振荡器
在上节介绍中，本次设计所用到的探测电路的振荡器是由电压控制LC振荡器[2]，既在LC振荡器决定振荡频率的LC回路中，使用电压控制电容，可以在一定的频率范围内构成电调谐振振荡器。这种包含有压控元件作为频率控制器件的振荡器就叫做压控振荡器。它广泛应用于频率调制器，锁相环路以及无线电发射机和接收机中。
在压控振荡器中，振荡频率只随加在变容管上的控制电压变化。但实际电路中，振荡电压也加在变容管两端，这使得振荡频率在一定程度上也随振荡幅度而变化，这是不希望的。为了减小振荡频率随振荡幅度的变化，应尽量减小振荡器的输出振荡器的输出振荡电压幅度，并使变容管工作在较大的固定直流偏压上。
在此振荡电路中L2、C2、R4三个元件起到的作用就是相当于电压的做用，它控制Q1，对LC振荡产生的振荡信号频率为f1的信号幅度惊醒反馈放大使得得到一个比较理想的信号幅度的f1
3.2固定信号的产生
对于设计中的要求和方案的制定之后，固定信号f2是一个重要环节，此信号采用线形信号，为了后面进行混频。线形信号有正弦信号，方波等，产生线形信号的振荡电路有ＬＣ正弦振荡电路、ＲＣ正弦振荡电路、方波产生振荡电路等。而方波振荡电路产生的方波信号，在混频处理时，产生的混频信号更能简单的去实现和计算，因此在这里固定信号的选用是为了方便操作和简单的设计就采用方波振荡电路产生的方波信号。电路图如下图3.3
图3.3方波产生电路图
根据上图分析：①给定VCC电压为9V，经过R12，R13，D1分压得D1的电压为1.8V，A点处的参数电压是在0到8V之间，B处电压大约在5V左右，3点经B在经过R14到达输出断形成一个反馈。在刚通电时，由于3点所处的电位高于C11处电位，电流经过R14，R17和R16给电容冲电，使得C11处的电位慢慢升高，即2点处的电位高于3点的电位时，3点电位成为低电位，电容C11开始放电，知道电容C11放电，大约过时间t时间，3电电位又成高电位，电容成低电位，继续充电一直循环。
R16和R17处的电阻阻值在5.5K时，U0为电容的系数，从公式可以得到时间t。
此方波信号图如下图3.4
图3.4方波信号图
方波信号f2产生后通传送到混频器进行混频。
对上述电路中的一些参数计算。U=9V,R17的电阻值取0.6K在R14处的电压为
R14U/（R14+R15+R12+R17+R16）=4.6v，因此在3点处的输入电压为4.6V，整个电路上的电流为i大约为
I=9/（39103）=2.310-4，在R16处的电压UR16=0.83V，因此在一开始的时候，电位3点一直处于高电位，2点处于低电位，整个电路对电容C11进行充电，直到C11处的电压到达4.6+0.83=5.49时。3点的电位低于2点电位，电容开对外放点。来回循环形成的一个方波信号。
下面是对方波振荡电路的一些理论的描述
LC振荡器是最常用的一个振荡电路，它产生一个正弦波，但由于此振荡电路对金属探测器的总体来说比较烦琐，因此在选用固定频率信号振荡器的时选用了方波振荡器。方波产生电路[2]能够直接产生方波或者矩形波的非正弦信号发生电路。由于方波或矩形波包含丰富的谐波，因此，这种电路又被称为多谐振荡电路，基本电路组成如图3.5所示。它是在迟滞比较器的基础上，增加了一个又Rf、C组成的积分电路，把输出电压经Rf、C反馈到比较器的反相端。在比较器的输出端引入限流电阻R和两个背靠背的双向稳压管就组成了一个双向限幅方波发生电路。由图可知，电路的正反馈系数F。
a
B
图3.5方波产生电路
在接通电源的瞬间，输出电压究竟偏于正向饱和还是负向饱和，那纯属偶然。设输出电压偏于正饱和值既V0=+Vz时，加到电压比较器同相端的电压为+FVz，而加于反相端的电压，由于电容C上的电压Vc不能突变，只能由输出电压V0通过电阻Rf按指数规律向C充电建立，如图3.6A所示，充电电流i+。显然，当加到反相端的电压Vc略正于+FVz时，输出电压便立即从正饱和值（+Vz）迅速翻转到负饱和值（-Vz），-Vz又通过Rf对C进行反向充电，如图3.6B所示，充电电流i-。知道Vc略负于-FVz值时，输出状态再翻转回来。如此循环下去，形成一系列的方波
（a）电容C充电情况
（B）电容反向充电情况
（C）输出电压与电容器电压波形图
图3.6方波产生电路工作原理图
图3.6C画出了在一个方波的典型周期内，输出端及电容器C上的电压波形。设t=0时，Vc=-FVz，则T/2的时间内，电容C上的电压Vc将以指数规律由-FVz向+Vz方向变化，电容器端电压随时间变化规律为
设T为方波的周期，当t=T/2时，VC（T/2）=FVZ带入上式得
对T求解得
如适当选取R1和R2的值，可使F=0.462，则振荡周期可简化为T=2RfC，或振荡频率为
在低频范围内，对于固定频率来说，用运放来组成兔3.6电路就可以了。当振荡频率较高时，为了获得前后沿较陡的方波，以选择转换速率较高的集成电压比较器代替运放就可以。
通常将矩形波为高电平的持续时间与振荡周期的比叫占空比。对称方波的占空比为50%。如需产生占空比小于或大于50%的矩形波，只需适当改变电容C的正，反向充电时间常数就可以。实现次目的的一个方案，将图3.6所示网络接入图3.6B中节点O、N之间，代替电阻Rf。这样，当V0为正时，D1道统而D2截止，正向充电时间常数Rf1C；当V0为负时，D1截止而D2导通，反向充电时间常数Rf2C。选取Rf1/Rf2的比值不同，就改变了占空比，设忽略二极管的正向电阻，此时的振荡周期为
图3.7改变正、反向充电常数的一种网络
3.3混频器和选频
混频电路，这里采用场效应管作为混频器来执行任务，电路图如下图3.8
图3.8混频和选频电路图
Q3为场效应管[12]，此场效应管为N沟道场效应，它是在P型硅衬底上制成两个高掺杂浓度的源扩散区N+和漏扩散区N+，再分别引出源极S和漏极D。源极与衬底在内部连通，二者总保持等电位。图3.5符号中的前头方向是从外向电，表示从P型材料（衬底）指身N型沟道。当漏接电源正极，源极接电源负极并使VGS=0时，沟道电流（即漏极电流）ID=0。随着VGS逐渐升高，受栅极正电压的吸引，在两个扩散区之间就感应出带负电的少数载流子，形成从漏极到源极的N型沟道，当VGS大于管子的开启电压VTN（一般约为+1.2V）时，N沟道管开始导通，形成漏极电流ID。因此，此N沟道的场效应管的临导通电压为1.2V，为了使得场效应管导通，在G栅极处的电压略大于1.2V，因此场效应管在没有输入探测信号f1时，处于非线形工作状态。当有信号f1输入时才执行混频工作。其中R9，R7在此的作用是分压作用，控制场效应管栅极G的输入电压。S极处是连接到探测电路的信号，f1信号在探测电路中由反馈电路把电压放大，输送到S极，在S极处的R6起的作用是分压使得输入到S极的不至于太大。f1和f2在场效应管混频得到4个信号，即信号f1、f2、f2-f1、f2+f1等信号，由于存在其他小的干扰信号，因此需要进行选频。从场效应管D极输出的信号输出经过C7和R11出，选出频率为f2-f1的频率，这个差频就是本次设计所需要的频率值。
混频是频谱的线形搬移过程，完成频谱的线形搬移功能的关键是要获得两个输入信号的乘积，能找到这个乘积项，就可完成所需的线形搬移功能。设输入到混频器中的输入已调信号Us和本振电压UL分别为这两个信号的乘积为
若中频fI=fL-fC上式经带通滤波器取出所需边带，可得中频电压为：
由此可得完成混频功能的原理图，如图3.9所示。也可用非线形器件来完成
（a）
B
图3.9混频器的组成框图
下面从频域看混频过程。设us,uL对应的频谱为Fs（）、FL（），它们是us,uL的傅立叶变换。由信号分析可知，时域的乘积对应于频域的卷积。输出频谱Fo（）可以用Fs（）与FL（）的卷积得到，本振为单一频率信号，其频谱为
输入信号为已调波，其频谱为FS（），则
若输入信号也是等幅波，则FO（）将只有±（L-C）和±（L+C）分量。上式中FS（）和FO（）都是双边的复数频谱，因而FS（）和FO（）不但保持幅度间的比例关系，而且FO（）的相位中也包括有FS（）的相位。用带通滤波器取出所需分量，就完成了混频功能。
3.3.1混频器的主要性能指标
①变频增益。混频器的输出信号强度与输入信号强度的比值，变频增益可用变频电压增益和变频功率增益来表示。变频电压增益定义为变频器中频输出电压振幅UI与高频输入信号电压振幅US之比，既
同样可以定义变频功率增益为输出中频信号频率P1与输入高频信号功率PS之比，即
通常用分贝数表示变频增益，有
变频增益表征了变频器把输入高频信号变换为输出中频信号的能力。增益越大，变换的能力越强，故希望变频增益大。而且变频增益大后，对接受机而言，有利于提高灵敏度。
②噪声系数。混频器的噪声系数NF定义为
NF=输入信噪比/输出信噪比它描述了混频器对所传输信号的信噪比影响的程度。因为混频级对接收机整机噪声系数影响大，特别是在接收机中没有高放级时，其影响更大，所以希望混频器的NF越小越好。
③失真与干扰。变频器的失真有频率失真和非线形失真。除此之外，还会产生各种非线形干扰，如组合频率、交叉调制和互相调制、阻塞和倒易混频等干扰。所以，对混频器不仅要求频率特性好，而且还要求变频器工作在非线形不过于严重的区域，使之既能完成频率变换，又能抑制各种干扰。
④变频压缩。在混频器中，输出与输入信号幅度应成线形关系。实际上，由于非线形器件的限制，当输入信号增加到一定程度时，中频输出信号的幅度与输入不再成线形关系。实际电平比理想电平来的低，这一现象称为变频压缩。因此实际电平越高性能越好。
⑤选择性。混频器的中频输出应该只有所接收的有用信号。即fI=fl-fC,而不应该有其他不需要的干扰信号。但在混频器的输出中，由于各种原因，总会混杂很多与中频频率接近的干扰信号。为了抑制不需要的干扰，就要求中频输出回路有良好的选择性，亦回路应有较理想的谐振曲线（矩形系数接近1）
3.4放大电路的分析
对放大器的分析，目的是为了了解放大器的工作状态，同时对放大器的主要功能指标[2]必要的估算，以便了解放大器的基本情况。
3.4.1放大器的性能和指标
静态直流通道、静态分布和静态工作点Q
放大电路在没有输入信号，即Vi=0时电路所处的工作状态叫做静态。此时，电路中只有直流电源作用，故也称直流工作状态。
把放大器中直流电流流经的途径称为放大器的直流通道。
静态时电路中的IB，IC，VCE的数值叫做放大电路的静态工作点Q。静态分析的目的就是求出静态工作点Q以确定它是否满足放大的要求。画放大器的支流时，将电容视为开路，电感元件视为短路，其他不变。如图3.10所示。
（2）动态、交流通道和动态分析
当有输入信号时（Vi0），电路中的电压、电流都将岁输入信号做出相应的变化，称为动态，也称交流工作状态。此时，电路中既有直流，也有交流。交流信号所走的通路称为交流通道。绘制交流通道的原则是：①电路中的耦合电容、旁路电容的容量足够大，对交流信号而言，它的容抗很小，都视为短路；②直流电源VCC的内阻极小，对于交流信号而言，也可以看作两极短路。根据上面所说的原则可画出图a的放大电路的通路如图b。图中所有电压、电流都是交流成分。动态分析的目的就是确定电压放大倍数、输入电阻、输出电阻等主要性能指标，看它是否满足要求
(b)直流通路
图3.10共射极放大器的直流通路
放大电路建立正确的静态，即设置合适的静态工作点，是保证动态工作的前提。分析放大电路必须正确地区分静态和动态，正确地区分直流通路和交流通路。
在分析放大电路时有两类问题：直流支流问题和交流问题。
直流通路：将放大电路中的电容视为开路，电感视为短路。它又被称为静态分析
交流通路：将放大电路中的电容视为短路，电感视为开路，直流电源视为短路。
又被称为动态分析，如图3.11所示。
进行静态分析时，主要是求基极直流电流IB、集电极直流电流IC、集电极与发射极间的直流电压UCE。
图3.11共射极放大器的交流通路
3.4.2微变等效电路法
三极管的微变等效电路[4]如图3.12所示
采用未便等效电路法的思想是：当信号变化的范围很小（微变）时，可以认为三极管电压、电流变化量之间的关系是线形的。
通过上面的介绍，我们可以把蚝油非线形元件的放大电路，转换为熟悉的线形电路，这样我们就可以利用电路分析的各种方法来解答。
其中Ie=(1+β)Ib。三极管的输入回路可等效为输入电阻Rbe,输出回路可用等效的受控恒流源来代替。在低频小信号工作的条件下，Rbe是一个与静态工作点有关的常数
图3.12
放大电路的微变等效电路
微变等效电路的主要作用于对放大电路的动态特性的分析。
放大电路的性能指标：
电压放大倍数Au
它是用来衡量放大电路的电压放大能力。它可以定义为输出电压的幅值与输入电压的幅值比Au=U0/Ui。
电压源放大倍数Aus是表示输出电压与信号源电压值比，它就是考虑了信号源内阻Rs影响的Au，Aus=U0/Us
电流放大倍数Ai
它是用来衡量放大电路的电流放大能力，值越大表明放大能力越好。它可定义为输出电流I0和输入电流Ii之比Ai=I0/Ii
输入电阻ri
它是用来衡量放大电路对输入信号源的影响。它可表示输入电压与输入电流之比ri=Ui/Ii
输出电阻r0
它是用来衡量放大电路所能驱动负载的能力。从输出端看进去的等效电阻就是输出电阻
用微变等效电路对放大电路进行分析
共e极放大电路
如图3.13（1）电路，试分析它的Au,Ai,r0,ri,分析其等效电路图3.10
电压放大倍数[10]Au=-其中L=Rc//RL。负号表示共e极时，集电极电压与基极电压的相位相反
电流放大倍数因为I0=Ic=Ib,II=Ib所以Ai=I0/Ii=
输入电阻因为ri=Rb//I,而i=i/Ib,i=Ibrbe,则rirbe
输出电阻r0=Rc
图3.13放大电路的交流通道
一般来说。希望放大电路的输入电阻高一些好，这样可以避免输入信号多地衰减；对于输出级来说，则希望输出电阻越小越好，以提高电阻的带负载能力。
3.4.3低频信号功率放大器
对上述放大电路的了解，由于信号f2-f1是低频信号，这里根据整个电路来设计，画出了关于金属探测器中的低频放大电路，图3.14
图3.14低频信号放大器
从上电路可以看出，放大器负端连接R19电阻到输出端，形成一个反馈。频率信号f2-f1输入到负极，这里是负反馈放大，从负端输入信号到输出端输出，在通过R19输入负端，如此循环输出一个频率高的信号，在通过三极管输入到耳机，使得人能听到声音。
1、功率放大电路的任务和特点:
（1）大信号工作状态
为了输出足够大的功率，要求输出电压和输出电流幅度都比较大，对功率管来讲是工作于大信号状态。
（2）减少非线性失真
因为功放管的非线性，加上工作于大信号状态，所以,如何减小非线性失真是功率放大电路的一个重要问题。
（3）提高效率，降低管耗
直流电流提供的能量，尽可能大地转换为负载上的输出交流功率，尽可能地减少功放管的管耗，即提高功率转换效率。功率放大器所要解决的问题是放大过程中信号的失真
2、主要技术指标
（1）Uomax和Iomax要大
在不超过非线性失真情况下，功率放大电路最大的输出电压和输出电流。
（2）Po和Pom要大
Po定义为输出电压和输出电流有效值的相乘积。即
Uom和Iom分别为输出电压和电流的峰值。Pom定义为在基本不失真的情况下，放大电路最大输出电压和最大输出电流有效值的乘积。Uomax，Iomax分别为最大的输出电压和输入电流。即
（3）管耗Pv要小
损耗在功率放大管上的功率叫做功放管的损耗，用Pv表示。
（4）效率要高
Po:提供给负载的交流功率PE:直流电源提供的功率
为了使功率最大，在小信号放大电路中，在保证输出信号不失真情况下，静Q应尽量选低，降低静态功耗,η自然就提高。所以η和静Q有密切的关系。
在设计这个金属探测仪的时候，碰到了好多困难，一点是各个元器件的参数选择，在通过对整个电路的逐步分析，每个分电路的了解来解决这一难点。在测量的时候，由于不确定是否有其他干扰信号的存在，先测在电缆没有通有高频信号的时候，用探测仪在周围先测试，有没信号，若听到有信号，则找出信号源。处理之后在来进行测量。
第四章总设计电路图
通过对各个元器件的熟悉和分布电路图的了解绘制出本次设计所需要的金属探测仪即频分差金属探测仪的电路图如下
第五章小结
金属探测器除了应用在食品、纺织、服装、矿冶、寻宝、探雷等领域，还逐步扩大到木材、药品、玩具、安检等方面。另外，还出现了X光红外探测器系列，能够指示在食品中金属杂质所在的位置和大小，同时因故用在安检领域也是提高了检测水平。本次设计在运用到所学习的《高频电子电路》和《模拟电子线路》知识，通过网络和书籍，找到了关于金属探测器的更多资料，自己动手逐步了解各个器件和混频和选频电路，放大电路，振荡电路，方波振荡电路等的工作原理，在带队陈廷勋老师的指导下完成本次了金属探测仪的设计。通过本次设计，让我更加了解了放大电路，振荡电路等的运行和其有关的一些资料，为以后从事本专业工作，有了很大的帮助，提升了自己对高频和模拟电路的了解。
致谢
经过半年的忙碌和工作,本次毕业论文接近尾声,由于经验的匮乏.出现了好些考虑不周的情况,如果没有导师的督促知道,以及一起工作学习的同学的帮忙,想要这个设计是难以想象的.
在写论文的过程,得到了陈老师的耐心指导.他严肃的科学态度,严谨的治学精神,精益求精的工作作风,深深地感染和激励我.在课题的选择项目到最终的完成,陈老师始终给我了细心的知道和不懈的支持.多少个日夜.陈老师不仅在学业上给我了精心指导.同时还在思想开阔了我的思路,除了敬佩陈老师的专业水平外,他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样,同样也影响了我以后工作和学习态度.在此向陈老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意
在论文即将完成的时候,心情无法平静,多少日夜老师的指导和同学的帮助才有了今天的论文完成,再次感谢你们.
最后要感谢机电学院和我的母校-浙江海洋学院对我的栽培以及为评阅论文而付出辛苦劳动的专家和学者们
参考文献
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[5].李白苹。电子信息类专业英语.西安。西安电子科技大学出版社.2008.4
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[9].张三慧.电磁学.北京.清华大学出版社.1999.12
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http://www.bjbydz.com/showxx.asp-dl=2&id=159.htm2006.1
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浙江海洋学院东海科学技术学院本科生毕业论文
II
探测线圈
探测振荡电路f1
参考振荡电路f2
混频器（这里选用三极管）
滤波器
取（f2-f1）
放大电路
输出电路（耳机接听）
音响发生器
电源
接收线圈
发射线圈
定时器
接收器
A/D
信号发生器
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