Моделирование блоков и узлов автоматики

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. 27. Фоторезистор обозначается так: , а фотография реального устройства на рис. 28.

Рис. 27. Датчик температуры на основе термистора.

Рис. 28. 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).

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. 29).

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 (K_U → ∞);

- входное сопротивление стремится к бесконечности (R_ВХ → ∞);

- выходное сопротивление стремится к нулю (R_ВЫХ → 0);

41- если входное напряжение стремится к нулю, то выходное напряжение также равно нулю (U_ВХ = 0 → U_ВЫХ = 0);

- бесконечная полоса усиливаемых частот (f_В → ∞).

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. 29. Операционный усилитель: условное обозначение и

виды реальные устройств.

Основные типы схем на базе ОУ:

Инвертирующий усилитель. Подключив звено отрицательной обратной связи (ООС), состоящее из двух резисторов (делителя) R1 и Roc между выходом и инвертирующим входом, и соединив неинвертирующий вход ОУ с общей точкой, получим инвертирующий усилитель (рис. 30).

Рис. 30 Схема инвертирующего усилителя на ОУ.

Зависимость выходного напряжения от входного сигнала (статическая амплитудная характеристика) такого усилителя рассчитывается по формуле:

, (2)

где: R1 и R2 – сопротивления, определяющие коэффициент усиления инвертирующего усилителя.

Из формулы следует, что при значении R1 = R2, амплитудная характеристика инвертирующего усилителя принимает следующий вид:

. (3)

Модель инвертирующего усилителя в среде Multisim, а так же осциллограммы входного и выходного сигналов приведены на рисунках 31 и 31 соответственно.

Рис. 31. Модель инвертирующего усилителя в среде Multisim.

Рис. 32. Сигнал на экране осциллографа, подключенного ко входу и выходу инвертирующего усилителя.

Неинвертирующий усилитель.Схема неинвертирующего усилителя представлена на рисунке 33.

Рис. 33. Схема неинвертирующего усилителя на ОУ.

Амплитудная характеристика неинвертирующего усилителя на ОУ рассчитывается по следующей зависимости:

, (4)

где: R1 и R2 – сопротивления, определяющие коэффициент усиления неинвертирующего усилителя.

Из формулы следует, что при значении R2 = 0, амплитудная характеристика принимает следующий вид:

. (5)

Модель неинвертирующего усилителя в среде Multisim, а так же осциллограммы входного и выходного сигналов приведены на рисунках 33 и 34 соответственно.

Рис. 34. Модель неинвертирующего усилителя в среде Multisim.

Рис. 35. Сигнал на экране осциллографа, подключенного ко входу и

выходу неинвертирующего усилителя.

Дифференциальный усилитель. Он усиливает разность двух входных напряжений на соответствующих входах U_вх1 и U_вх2 и подавляет на них синфазный (одинаковый) сигнал помехи (рис. 36).

Рис. 36. Схема дифференциального усилителя на ОУ.

Амплитудная характеристика дифференциального усилителя на ОУ рассчитывается по следующей зависимости:

, (6)

где: R1 и R3 – сопротивления, определяющие коэффициент усиления дифференциального усилителя.

При этом должно соблюдаться условие:

(7)

Модель неинвертирующего усилителя в среде Multisim, а так же осциллограммы входного и выходного сигналов приведены на рисунках 37 и 38 соответственно.

Рис. 37. Дифференциальный усилитель в среде Multisim.

Рис. 38. Сигнал на экране осциллографа, подключенного ко входу и выходу дифференциального усилителя

Фильтрация помех. Схема.

Во многих электрических, радиотехнических, и телеметрических системах и устройствах необходимо выделять узкополосные составляющие. Сигналы заданной частоты или заданной полосы частот выделяют при помощи частотных электрических фильтров.

К частотным электрическим фильтрам предъявляются два основных требования. В одной области частот, которая называется полосой пропускания (или полосой прозрачности), составляющие частотного спектра выделяемого сигнала не должны ослабляться, а в другой, называемой полосой задерживания (заграждения, подавления, режекции), их ослабление (затухание) должно быть не меньше определенного значения.

Фильтр считают идеальным, если в полосе пропускания ослабление отсутствует и фазово-частотная характеристика линейна (при этом условии нет искажения формы сигналов), а вне полосы пропускания все частотные составляющие полностью подавляются.

На одном ОУ достаточно просто реализуется фильтр второго порядка. На рисунке представлен фильтр низкой частоты на операционном усилителе LM324N. Для реализации фильтров нижних частот, верхних частот и полосовых широкое применение нашла схема фильтра второго порядка Саллена-Ки. На рис. 39 приведен ее вариант для ФНЧ.

Рис. 39. Схема активного фильтра 2-го порядка на ОУ.

В среде Multisim модель такого фильтра может быть собрана так, как представлено на рис. 40. Частоту среза такого фильтра можно рассчитать по формуле:

(8)

Рис. 40. Модель ФНЧ на операционном усилителе в среде Multisim.

В качестве примера произведем расчет частоты среза типового ФНЧ для R = 1кОм и С = 0,8 мкФ:

Гц (9)

С помощью анализа в разделе AC в среде Multisim получим АЧХ рассчитываемого фильтра. Наблюдаемая частота среза находится в диапазоне 200 Гц (рис. 41).

Рис. 41. Пример моделирования АЧХ и ФЧХ ФНЧ на операционном усилителе в среде Multisim.