- •Московский институт электронной техники (технический университет)
- •«Системотехника измерительных устройств»
- •Для регистрации результатов моделирования рекомендуется приносить на занятия флэш-память.
- •Часть 1. Теоретические сведения по работе измерительных усилителей 40
- •Часть 2. Моделирование измерительных операционных усилителей 47
- •Часть 1. Теоретические сведения по работе тензомоста.
- •Часть 2. Моделирование температурной чувствительности тензомоста в Multisim 9
- •Часть 3.Методика и пример расчета параметров модели.
- •Часть 4. Порядок выполнения работы.
- •Часть 1. Теоретические сведения о работе емкостных датчиков.
- •Часть2. Моделирование емкостных датчиков.
- •2.1 Моделирование однополярного емкостного датчика с усилителем заряда.
- •2.2 Моделирование дифференциального емкостного датчика с усилителем заряда.
- •2.3 Моделирование дифференциального емкостного датчика с усилителем напряжения.
- •2.4 Моделирование дифференциального емкостного датчика с т-мостом в цепи обратной связи.
- •Часть 1. Теоретические сведения по работе измерительных усилителей
- •Часть 2. Моделирование измерительных операционных усилителей
- •2.1 Оценка характеристик измерительного усилителя на одном оу (иоу-1) в динамическом режиме
- •2.2 Исследование работы иоу-1 в статическом режиме
- •2.3 Исследование работы инструментального усилителя на 2-х оу (иоу-2) в статическом режиме
- •2.4. Исследование работы инструментального усилителя на 3-х оу (иоу-3) в статическом режиме
- •Часть 1. Теоретические сведения об мдм усилителях
- •Часть 2. Моделирование работы мдм усилителя
- •Часть 1. Теоретические сведения о работе пкд-усилителей
- •Часть 2. Моделирование пкд усилителей
- •2.1 Исследование инвертирующего пкд усилителя с коррекцией просечек
- •2.2 Исследование работы схему двухканального пкд усилителя
- •Часть1. Основы работы с программой Multisim.
- •Часть 2. Использование измерительных инструментов.
Часть 2. Моделирование температурной чувствительности тензомоста в Multisim 9
Укрупненная схема моделирования температурной чувствительности тензомоста (рис.4) содержит помимо полного резистивного моста (R1-R4) генератор входных воздействий (ГВВ), генератор напряжения компенсации (ГНК) и выходной диф. усилитель, включенный в диагональ моста. В качестве плеч моста выбраны представленные в библиотеке Multisim 9 резисторы, управляемые напряжением. Входные напряжения управляемых резисторов вырабатываются с помощью ГВВ в зависимости от входной величины (например, микродеформаций в тензомосте) и температуры .
Компенсация температурной чувствительности моста может осуществляться либо с помощью терморезистора (ключ SA1 в положении 1), либо дополнительного компенсационного резистора RK постоянного номинала (ключ SA1 в положении 2). Для исследования исходной термочувствительности моста резистор RK устанавливается близким к нулевому значению (например, RK=1 Ом).
Входные воздействия формируются на сумматорах и содержат дифференциальную и синфазную составляющую (рис.5). Дифференциальные составляющие , прикладываемые к смежным плечам моста, характеризует входное воздействие и изменяются в общем случае по произвольному закону (в данной работе для простоты изменяются по пилообразному закону). Синфазная составляющая характеризует воздействие температуры и влияет на все плечи моста одинаково. Для установки начального значения сопротивления плеча моста (при нулевых значениях ) используется напряжение .
Сопротивление управляемого резистора в общем случае определяется как
где - чувствительность управляемого резистора (Ом/В), - напряжение управления, прикладываемое к резистору. Напряжения управления плеч моста в соответствии с рис.5 составят
где
Амплитуда сигнала управления может быть найдена из соотношения
Учитывая, что , получим
(8)
Для компенсации температурной чувствительности тензомоста с помощью тензорезистора с отрицательным ТКС также как и в плечах моста используется управляемый напряжением резистор. Напряжение компенсации вырабатывается с помощью дополнительного специального генератора ГНК (рис.6). Он состоит из инвертора на (для получения отрицательного ТКС) и сумматора на . Для установки начального значения сопротивления терморезистора при используется напряжение . Т.о.
где
Амплитуда сигнала управления может быть найдена из соотношения
где - ТКС терморезистора, - температурный диапазон. Из последнего выражения следует, что
(9)
Часть 3.Методика и пример расчета параметров модели.
Принципиальная схема моделирования тензомоста приведена на рис. 7.
В схему входят полный мост на управляемых резисторах U1, U2, U3,U4, который подключается к источнику постоянного питания V1 либо через компенсационный резистор R1, либо через терморезистор U5. Выбор варианта термокомпенсации осуществляется ключом J1 с помощью клавиши Space («Пробел»). Напряжение с диагонали моста снимается с помощью дифференциального усилителя на ОУ D1.
Генератор входных воздействий (ГВВ) X1, который формирует сигналы ,частично реализован в виде подсхемы (рис.9) и включает два сумматора на ОУ D2 и ОУ D3, многофункциональный генератор XPG1 (для задания входных воздействий в диапазоне ) и источники V3,V4 (для задания температурного воздействия в диапазоне ). С помощью многофункционального генератора XPG1 задаются частота, амплитуда дифференциальных пилообразных сигналов и напряжение смещения , определяющие соответственно частоту, диапазон входного воздействия и номинал резистора моста (окно параметров приведено на рис.8 и вызывается двойным щелчком по изображению XPG1). Рекомендуется частоту входного воздействия выбирать в пределах до 100 Гц.
Генератор напряжения компенсации (ГНК) X2 реализован в виде подсхемы (рис.10) на ОУ D4 (сумматор), ОУ D5 (инвертор) и источнике напряжения смещения V2. Напряжение компенсации с выхода ОУ D5 контролируется вольтметром постоянного тока U6.
Источники питания V3, V4 с номиналами, соответствующими крайним точкам температурной шкалы , для удобства подключаются к схеме через ключ J2 с помощью клавиши A (латинский алфавит). Напряжение, соответствующее текущей температуре, контролируется вольтметром постоянного тока U7.
Перед началом моделирования задаемся исходными данными (для базового варианта они приведены в Табл.1) и проводим вычисления параметров модели.
Табл. 1 Исходные данные базового варианта тензомоста
Параметр |
|
|
|
|
|
|
Е (В) |
Величина |
|
|
|
1,0 |
|
1,0 |
10,0 |
1.Устанавливаем номинальные сопротивления плеч моста . (Рассчитываем по заданному и произвольно выбранному )
2.Вычисляем амплитуду вxодного воздействия UД по рассчитанному и выбранным значениям
3. Вычисляем синфазную (температурную) составляющую в сигнале управления
4.Вычисляем номинальное сопротивление терморезистора при заданном (см. теорию)
5. Устанавливаем номинальное сопротивление терморезистора (вычисляем напряжение смещения )
После установки параметров модели запускается моделирование.
На рис.11 приводятся осциллограммы различных точек схемы, полученные при моделировании базового варианта. Амплитуды сигналов удобно измерять с помощью маркеров на экране осциллографа. На рис.12 приводятся параметры виртуального ОУ, используемого в данном примере при моделировании.
В результате моделирования для различных вариантов термокомпенсации могут быть получены сравнительные оценки:
чувствительности тензомоста,
температурной чувствительности тензомоста.
Результаты моделирования сведены в табл.2
Табл.2 Результаты моделирования тензомоста при
Вариант |
Результаты моделирования |
Оценка результатов моделирования |
||||||||||
(Ec(T)=0 мВ) |
(Ec(T)=-125 мВ) |
(Ec(T)=+125 мВ) |
U1=Uвых1- Uвых0 (мВ) |
U2= Uвых2- Uвых0 (мВ) |
Термочувствит средняя (мкВС-1). |
Термочувствит расчетная (мкВС-1). |
Чувствит-ть. мос-та при T=T0 (мВ/%) |
|||||
Uвых0 (мВ) |
UТ (мВ) |
Uвых1 (мВ)
|
UТ (мВ) |
Uвых2 (мВ) |
UТ (мВ) |
|||||||
Без компен-сации |
х= 0,5% |
502 |
253 |
574 |
378 |
446 |
128 |
72 |
-56 |
128 |
-98 |
100,4 |
х=-0,5% |
-492 |
-563 |
-437 |
-71 |
55 |
-126 |
163 |
98,4 |
||||
компенсац. RК=1кОм |
х= 0,5% |
251 |
268 |
236 |
17 |
-15 |
33 |
-28 |
50,2 |
|||
х=-0,5% |
-246 |
-262 |
-231 |
-16 |
15 |
-33 |
36 |
49,2 |
||||
компенсац. RК=1,5кОм |
х= 0,5% |
200 |
211 |
191 |
11 |
-9 |
20 |
-18 |
40,0 |
|||
х=-0,5% |
-196 |
-207 |
-187 |
-11 |
9 |
-20 |
22 |
39,2 |
||||
Компенсац.. RТ=250 Ом |
х= 0,5% |
401 |
400 |
401 |
-1 |
0 |
0 |
0 |
80,2 |
|||
х=-0,5% |
-393 |
-392 |
-393 |
1 |
0 |
0 |
0 |
78,6 |
Примечания.
1.Средняя чувствительность моста для каждого варианта при - (В/%)
где К- коэффициент усиления выходного усилителя.
2.Средний температурный коэффициент чувствительности ТКЧ(x) при заданных для каждого варианта термокомпенсации вычисляется
(ВС-1)
3.Расчетный ТКЧ(Т) в локальной точке с координатами (см. теорию) составит