Глава 2. Моделирование электронных цепей
2.1. Исследование цепи регистрации момента прохождения через нуль сигналов магнитных датчиков
В датчиках регистрации частоты вращения валов двигателей, измерителях вращающих моментов нашли применение магнитные датчики. Такие датчики устанавливаются на неподвижном основании и вырабатывают двухполярные импульсы напряжения в моменты прохождения вблизи них специальных ферромагнитных зубцов, установленных на валы [7].
Импульсы положительной и отрицательной полярности, как следует из закона электромагнитной индукции, всегда имеют одно и то же значение вольт-секундных площадей, а момент перехода импульса ЭДС через нуль соответствует минимальному расстоянию между вершиной зубца и сердечником магнитного датчика (рис. 2.1.1).
Рис .2.1.1
Для фиксации момента перехода импульса ЭДС через нуль в программе Micro-Cap 8 собрана схема, представленная на рис. 2.1.2.
Рис.2.1.2. Схема фиксации момента перехода через нуль сигнала датчика
V1, V2 – (Voltage Source) источники напряжения экспоненциальной формы, установлены последовательно для получения двухполярного импульса и имеют параметры, указанные на рис. 2.1.3.
L1 – сглаживающая индуктивность.
Рис. 2.1.3. Параметры источников напряжения V1 и V2
D2, D3 – полупроводниковые диоды, ограничивающие максимальное и минимальное значения двухполярного импульса, с параметрами указанными на рис. 2.1.4.
VT1 – биполярный транзистор, с параметрами указанными на рис. 2.1.4.
Рис. 2.1.4. Параметры диодов D2, D3 и транзистора VТ1
U1 – Цифровой инвертор (меню Component – Digital Primitives – Standard Gates – Inverters), с основным параметром Timing Model = D0_GATE.
На рис. 2.1.5. представлены результаты моделирования (v(3) – напряжение, имитирующее двухполярный сигнал датчика, v(4) – напряжение, подаваемое на базу транзистора VT1, v(5) – выходное напряжение транзистора VT1, v(8) – импульс напряжения на выходе схемы, передний фронт которого соответствует моменту прохождения двухполярного импульса через нуль).
Рис. 2.1.5. Окно вывода результатов моделирования программы Micro-Cap
2.2. Исследование гармонического состава напряжения
источника питания с широтно-импульсной модуляцией
Для целей регулирования питающего напряжения различных электрических аппаратов по частоте и уровню в широком диапазоне наиболее пригодными в настоящее время оказываются преобразователи частоты модуляционного типа, использующие различные виды широтно-импульсной модуляции (ШИМ).
В связи с этим представляет интерес разработка моделей источников напряжения с ШИМ, позволяющих изменять закон модуляции, уровень и частоту основной гармоники, несущую частоту и амплитуду импульсов напряжения, а также представляющих собой удобный инструмент для исследования спектрального состава таких напряжений.
Рассмотрим основные этапы создания модели однофазного источника напряжения с ШИМ. Сборка схемы ведется в окне графического редактора МС-7 (рис. 2.2.1).
В качестве источника задающего сигнала V1 выбирается идеальный источник синусоидального напряжения (меню Component – Analog Primitives – Waveform Sources – Sine Source), для которого задаются следующие параметры:
Модель источника – любая (в примере выбраны модели 3PHASEА; в схеме все устройства, для которых выбрана одна модель, имеют одинаковые параметры),
F=50 – частота источника напряжения, Гц;
A=2,664 – амплитуда напряжения, В (которая не должна превышать амплитудное напряжение источника опорного сигнала V2 и выбирается исходя из необходимой скважности импульсов ШИМ);
DC=0 – постоянная составляющая напряжения источника;
PH = 1.5708 – начальная фаза, рад (соответствует 900).
Рис. 2.2.1. Рабочее поле программы Micro-Cap 8.0:
модель источника напряжения с ШИМ
В качестве диодов D1 – D4 выбраны модели со следующими параметрами (см. рис. 2.2.2):
Рис. 2.2.2. Параметры диодов D1-D4
Источник опорного сигнала V2 – генератор треугольных импульсов со следующими параметрами:
Model=TRIANGLE; vzero=0 – минимальное значение напряжения, В; vone=3 – максимальное значение напряжения, В; P1=0 – время задержки от начала периода до начала переднего фронта импульса, с; P2=714.285u – продолжительность переднего фронта импульса, с; P3=714.285u – продолжительность заднего фронта импульса, с; P4=1428.57u – временной интервал между двумя минимальными уровнями напряжения, с; P5=1428.57u – период следования импульсов, с.
В качестве компаратора X1 выбран однополярный компаратор марки AD8564_AD (меню Component – Analog Library – Comparator – AD8561_AD – AD8564_AD).
Источники постоянного напряжения V3, V4 (меню Component – Analog Primitives – Waveform Sources – Battery) – батареи с Э.Д.С. по 19,8 В.
Выпрямленное напряжение источника задающего сигнала V1 и опорный сигнал источника V2 подаются на входы компаратора Х1. Выходное напряжение компаратора изменяется от нуля до максимального значения, равного напряжению источника питания V3, при этом ширина импульсов промодулирована по синусоидальному закону (рис. 2.2.3). Напряжение источника питания V4 по модулю равно напряжению источника V3 и имеет отрицательную полярность.
На вход компаратора Х2, выполненного на операционном усилителе OP_50AA (меню Component – Analog Primitives – Active Devices – Opamp – MODEL=OP_50AA), подается синусоидальный сигнал источника V5 с фазой равной фазе напряжения задающего источника V1. В момент перехода напряжения источника V5 через нуль напряжение на выходе компаратора Х2 переключается между положительным и отрицательным значениями напряжений (рис. 2.2.4).
Выходные напряжения компараторов Х1 и Х2 подаются на идеальный перемножитель сигналов Х3 (меню Component – Analog Primitives – Macros – Mul), имеющий бесконечно высокое входное сопротивление и бесконечно низкое выходное. В результате на выходе последнего формируется напряжение с ШИМ по синусоидальному закону (рис. 2.2.5).
Рис. 2.2.3 Окно вывода результатов моделирования Micro-Cap 8.0: на верхнем графике – диаграммы напряжения
на входах компаратора Х1; на нижнем – диаграмма выходного напряжения компаратора Х1 (по горизонталь-
ной оси – текущее время, с; по вертикальной оси – напряжение, В)
Рис. 2.2.4. Окно вывода результатов моделирования Micro-Cap 8.0:
входное (синусоида) и выходное напряжение компаратора Х2
Рис. 2.2.5. Окно вывода результатов моделирования Micro-Cap 8.0: на верхнем графике – диаграммы напряжения
на входах перемножителя Х3; на нижнем – диаграмма выходного напряжения перемножителя Х3
(по горизонтальной оси – текущее время, с; по вертикальной оси – напряжение, В)
Расчет гармоник сигнала в системе схемотехнического моделирования Micro-Cap 8 производится следующим образом.
Выбирается режим расчета переходных процессов (в меню Analysis – Transient ... Alt+1). В появившемся окне с помощью функции HARM (u), где u – периодический сигнал (т.е. любое напряжение или ток созданной в программе модели), выполняем расчет гармоник интересующего напряжения и получаем спектральный состав в графическом виде (см. рис. 2.2.6).
Следует обратить внимание на следующие параметры, задаваемые при расчете «Analysis – Transient...» :
Time Range – 20mc – временной интервал, на котором происходит расчет спектральных составляющих напряжения (должен соответствовать периоду основной гармоники);
Maximum Time Step – максимальный шаг интегрирования, c – определяет точность производимых расчетов (чем меньше шаг, тем точнее, но в то же время дольше производится расчет);
В графе X Range задается частотный диапазон, в котором производится расчет спектральных составляющих напряжения.
Как видно из полученных результатов, в спектре напряжения с ШИМ практически отсутствуют высшие гармоники с частотами ниже несущей частоты.
Рис. 2.2.6. Гармонический спектр напряжения с ШИМ, полученный в результате моделирования в системе Micro-Cap 8