6. Моделирование блоков и узлов автоматики
6.1. Датчики. Реализация в Multisim
Составной частью любой информационной системы управления (ИСУ) являются различные датчики – первичные преобразователи – представляющие собой двухполюсные элементы – полупроводниковые резисторы. Основное их свойство – способность изменять свое электрическое сопротивление под действием управляющего фактора (контролируемого параметра). Такие датчики включаются в схему, как правило, в виде резистивного делителя.
Датчик преобразует контролируемую физическую величину (температуру, давление, расход) в сигнал (электрический, оптический, пневматический), удобный для измерения, передачи, хранения и регистрации информации о состоянии объекта измерения.
Рассмотрим классификации датчиков по разным признакам:
Классификация по принципу действия
Оптические датчики (фотодатчики)
Магнитоэлектрический датчик (На основе эффекта Холла)
Пьезоэлектрический датчик
Тензо-преобразователь
Ёмкостной датчик
Потенциометрический датчик
Индуктивный датчик
Классификация по характеру выходного сигнала
Дискретные
Аналоговые
Цифровые
Импульсные
Классификация по количеству входных величин
Одномерные
Многомерные
Классификация по технологии изготовления
Элементные
Интегральные
Например,
терморезистор на схемах обозначается
следующим образом:
,
а фотография реального устройства
представлена на рис. 6.1.
Фоторезистор
обозначается так:
,
а фотография реального устройства на
рис. 6.2.
Рис. 6.1. Датчик температуры на основе термистора
Рис. 6.2. Датчик освещенности на основе фоторезистора
Сигналы от датчиков нуждаются в усилении, фильтрации от помех и необходимости выделения полезного сигнала от постоянной составляющей. Указанные выше преобразования осуществляются устройствами, построенными на базе операционных усилителей (ОУ).
6.2.Теория усилителей. Схема
Основная масса современных аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств выполняется на специализированных микросхемах – операционных усилителях (условное графическое обозначение и примеры реализации приведены на рис. 6.3).
Операционный усилитель (ОУ) – унифицированный многокаскадный усилитель постоянного тока, выполненный на интегральной схеме и удовлетворяющий следующим требованиям к электрическим параметрам:
- коэффициент усиления по напряжению стремится к бесконечности (KU→ ∞);
- входное сопротивление стремится к бесконечности (RВХ→ ∞);
- выходное сопротивление стремится к нулю (RВЫХ→ 0);
41- если входное напряжение стремится к нулю, то выходное напряжение также равно нулю (UВХ= 0 → UВЫХ= 0);
- бесконечная полоса усиливаемых частот (fВ→ ∞)
Являясь, по существу, идеальным усилительным элементом, ОУ составляет основу всей аналоговой электроники, что стало возможным в результате достижений современной микроэлектроники, позволившей реализовать достаточно сложную структуру ОУ в интегральном исполнении на одном кристалле и наладить массовый выпуск подобных устройств. Все это позволяет рассматривать ОУ в качестве простейшего элемента электронных схем подобно диоду, транзистору и т.п.
Рис. 6.3. Операционный усилитель: обозначение на схемах и реальные устройства
Основные типы схем на базе ОУ:
Инвертирующий усилитель. Подключив звено отрицательной обратной связи (ООС), состоящее из двух резисторов (делителя)R1и Rocмежду выходом и инвертирующим входом, и соединив неинвертирующий вход ОУ с общей точкой, получим инвертирующий усилитель (рис. 6.4).
Рис. 6.4 Схема инвертирующего усилителя на ОУ
Зависимость выходного напряжения от входного сигнала (статическая амплитудная характеристика) такого усилителя рассчитывается по формуле:
, (6.1)
где: R1 иRос– сопротивления, определяющие коэффициент усиления инвертирующего усилителя.
Из формулы следует, что при значении Rос=R1, амплитудная характеристика инвертирующего усилителя принимает следующий вид:
. (6.2)
Модель инвертирующего усилителя в среде Multisim (рис. 6.5):
Рис. 6.5. Инвертирующий усилитель
Рис. 6.6. Показания осциллографа, подключенного ко входу и выходу инвертирующего усилителя
Неинвертирующий усилитель. Схема неинвертирующего усилителя представлена на рисунке 6.7.
Рис. 6.7. Схема неинвертирующего усилителя на ОУ.
Амплитудная характеристика неинвертирующего усилителя на ОУ рассчитывается по следующей зависимости:
, (6.3)
где: R1 иRос– сопротивления, определяющие коэффициент усиления неинвертирующего усилителя.
Из формулы следует, что при значении Rос= 0, амплитудная характеристика принимает следующий вид:
. (6.4)
Модель инвертирующего усилителя в среде Multisim (рис. 6.8):
Рис. 6.8. Неинвертирующий усилитель
Рис. 6.9. Показания осциллографа, подключенного ко входу и выходу неинвертирующего усилителя
Дифференциальный усилитель. Усиливает разность двух входных напряжений на соответствующих входахUвх1иUвх2и подавляет на них синфазный (одинаковый) сигнал помехи.
Рис. 6.10 Схема дифференциального усилителя на ОУ.
Амплитудная характеристика дифференциального усилителя на ОУ рассчитывается по следующей зависимости:
, (6.6)
где: R1 иRос– сопротивления, определяющие коэффициент усиления дифференциального усилителя.
При этом должно соблюдаться условие:
(6.7)
Модель инвертирующего усилителя в среде Multisim (рис. 6.11):
Рис. 6.11. Дифференциальный усилитель
Рис. 6.11. Показания осциллографа, подключенного ко входу и выходу дифференциального усилителя