2.5. Моделирование устройства регистрации импульсного сигнала, содержащего постоянную составляющую

При измерении и регистрации сигналов датчиков различного назначения, возможно возникновение трудностей связанных с наличием помехи на фоне полезного сигнала.

Так, например температурные изменения вносят значительную погрешность в измерения при использовании медного проволочного датчика, сопротивление которого пропорционально деформации. Обычно для исключения такой погрешности используют различные схемы температурной компенсации.

Ниже предложено электронное устройство, устраняющее влияния постоянной составляющей на сигнал такого датчика. Модель устройства, реализованная в программе Micro-Cap 8, показана на рис. 2.5.1.

Рис.2.5.1. Модель устройства

Назначение данного устройства состоит в обеспечении автоматической установки нуля на выходе и усилении сигнала датчика.

В качестве источника сигнала датчика в схеме использован источник напряжения Е1 (меню Component – Analog Primitives – Function Sources - NFV), на выходе которого действует одиночный импульсный сигнал, вид которого определяется выражением: 0.5*(exp(-t/0.1)-exp(-t/0.01)) (указывается в качестве параметра VALUE). Для получения отрицательного импульса источник включен в цепь с полярностью, указанной на рис. 2.5.1.

Поскольку исследование сигнала датчика представляет интерес на фоне возможных помех, источник Е1 включается в схему последовательно через элемент задержки Х3 (меню Component – Analog Primitives – Macros – Delay), для которого задается Param:DELAY = 5 (т.е. задержка до начала импульсного сигнала датчика составит 5 секунд).

Для имитации помехи, присутствующей на выходе датчика в виде постоянного уровня напряжения устанавливается источник постоянного напряжения (Battery) с уровнем -0.1 В.

Суммарный сигнал подается на операционный усилитель Х1, охваченный отрицательной обратной связью через интегрирующее устройство и фильтр низких частот.

Параметры операционных усилителей Х1 и Х2 представлены на рис. 2.5.2

Рис. 2.5.2. Параметры элементов Х1 и Х2

Результаты моделирования представлены на рис. 2.5.3. Из рисунка видно, что напряжение на выходе устройства при постоянном входном напряжении (помехе) стремится к нулю, а форма импульсного входного сигнала усиливается практически без искажений.

Следует отметить, что конденсатор С2, присутствующий в схеме, является частью фильтра низких частот и «убирает» высокочастотные помехи, которые могут присутствовать на выходе датчика.

Отсутствие данного конденсатора в схеме, на входе которой действует сигнал, показанный на рис. 2.5.3., практически не влияет на работу устройства.

Рис.2.5.3. Результаты моделирования: входное и выходное напряжения устройства

2.6. Моделирование импульсного

стабилизатора постоянного напряжения

Как известно, импульсный преобразователь способен поддерживать заданный уровень напряжения с высокой точностью в широком диапазоне нагрузок. Рассмотрим работу модели такого устройства, выполненного с использованием транзисторного ключа. Схема модели преобразователя, выполненная в программе Micro-Cap, представлена на рис. 2.6.1.

Рис. 2.6.1. Модель импульсного стабилизатора

В качестве источника питания использован источник напряжения V4 (в меню Component – Analog Primitives – Waveform Sources – Voltage Source) с параметром VALUE=DC 14 (постоянное напряжение величиной 14 В).

Q1 – Биполярный транзистор, работающий в ключевом режиме (в меню Component – Analog Primitives – Active Devices – NPN), параметры которого приведены на рис. 2.6.2.

D2 – полупроводниковый диод, со следующими параметрами (см. рис. 2.6.2):

Рис. 2.6.2. Параметры элементов Q1 (слева) и D2 (справа).

Основу цепи управления транзистором составляет компаратор X1 (в меню Component – Analog Primitives – Macros – Comparator), для которого заданы следующие параметры:

Param:VIL=-0.01 – нижнее пороговое входное напряжение переключения, В;

Param:VIH=0.01 – верхнее пороговое входное напряжение переключения, В;

Param:VOL=0 – минимальное выходное напряжение, В;

Param:VOH=50 – максимальное выходное напряжение, В;

Param:Rout=1 – выходное сопротивление, Ом;

Param:Sign=1 – признак инверсии выходного напряжения компаратора (1 – без инверсии, -1 – с инверсией).

В качестве источника опорного напряжения V6 (определяющего величину выходного напряжения стабилизатора) использован элемент Battery, для которого задано напряжение 1 В (VALUE=5).

После задания параметров расчета электромагнитных процессов (см. рис. 2.6.3.) программа рассчитывает управляющее напряжение транзистора и выходное напряжение стабилизатора.

Рис. 2.6.3

Рис. 2.6.4. Графики управляющего напряжения транзистора (сверху)

и выходного напряжения стабилизатора (снизу) при нагрузке 10 Ом.

Рис. 2.6.5. Графики управляющего напряжения транзистора (сверху)

и выходного напряжения стабилизатора (снизу) при нагрузке 50 Ом.

Рис. 2.6.6. Графики управляющего напряжения транзистора (сверху)

и выходного напряжения стабилизатора (снизу) при нагрузке 10 Ом

и повышенном до 17 В напряжении источника питания.

Как видно из рис. 2.6.4-2.6.6, выходное напряжение стабилизатора не зависит от величины нагрузки и изменений напряжения источника питания (в определенных пределах).