CC BY
81
Кулинич Анна Ивановна
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южный федеральный университет»
E-mail: deсanat@fVt.sfedu.ru Zemlyakov Victor Leonidovich
Federal State-Owned Educational Establishment of Higher Vocational Education «Southern Federal University»
E-mail: kaf sau@mail.ru
10, Melchikova street, Rostov-on-Don, 344090
Phone: +7(8632)696991
Kliuchnikov Sergey Nikolaevich
Federal State-Owned Educational Establishment of Higher Vocational Education «Southern Federal University»
E-mail: kaf sau@mail.ru
Kulinich Anna Ivanovna
Federal State-Owned Educational Establishment of Higher Vocational Education «Southern Federal University»
E-mail: deсanat@fVt.sfedu.ru
УДК 621.3.019.1
С.Н. Галий, И.В. Гусенко
ПРИМЕНЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНОЙ ПРОГРАММЫ СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМА РАБОТЫ УСИЛИТЕЛЯ ЗАРЯДА
Развитие компьютерных программ моделирования в последние десятилетия открывает новые возможности для изучения аналоговой и аналого-цифровой схемотехники.
Компьютерное моделирование; САПР; аналоговая электроника.
S.N. Galiy, I.V. Gusenko
APPLICATION OF THE COMPUTER SIMULATION PROGRAM FOR RESEARCH OF PARAMETERS AND AN OPERATING MODE OF THE
CHARGE AMPLIFIER
Development of the computer simulation program in few last decades offers new opportunity for studying analogue and analogue - digital circuitry.
Computer simulation program; CAD;, analog electronics.
Разработка любого современного радиоэлектронного устройства сопровож -дается физическим или математическим моделированием. Физическое моделирование связано с большими материальными и временными затратами, поскольку требует изготовления макетов и их трудоемкого исследования характеристик. Часто физическое моделирование просто невозможно из-за чрезвычайной сложности электронного устройства.
Использование программ моделирования находит широкое применение не только при разработке радиоэлектронных устройств, но и в учебном процессе вуза. Так, например студенты ЮФУ факультета высоких технологий, изучая курс
«Электротехника и электроника», проходят практикум «Компьютерное моделирование в электронике и электротехнике». На этих занятиях изучается как и сама система моделирования электронных устройств MicroCAP, так и основы электротехники и электроники. В процессе работы с программой студент овладевает различными методами анализа. К примеру, расчет цепей по постоянному и переменному току, получение частотных и передаточных характеристик и расчет переходных процессов в электрических цепях. Практическая работа строится таким образом, чтобы учащийся закрепил и приумножил знания, которые были получены на лекционных занятиях. Первым этапом выполнения работы является ввод электрической схемы моделируемого устройства в редактор схем электрических принципиальных, таким образом, учащийся получает основные навыки работы в системах автоматического проектирования и разработки (САПР). После этого выполняется требуемый вид компьютерного моделирования, а также при необходимости вводятся изменения в параметры модели, т.е. производится его наладка. Здесь стоит отметить, что приемы получения рабочей модели устройства ничем не отличаются от методик введения в рабочий режим реальных электронных схем. Затем производится анализ полученных данных. Вторым этапом выполнения практической работы является самостоятельный поиск способа расчета и расчет данной схемы без использования компьютерных технологий, т.н. «расчет вручную» и сопоставление результатов «компьютерных» и «ручных» расчетов. На заключительном этапе ставится задача изменить или модернизировать заданную схему для получения определенного эффекта.
Данная статья приводит описание процесса моделирования усилителя заряда на операционном усилителе (ОУ) c использованием учебной версии (Evolution version) системы схемотехнического анализа электронных устройств MicroCAP. В основе данной системы лежит хорошо известная программа pSPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis). Математические модели полупроводниковых приборов и методы расчета, применяемые в этой системе, стали эталоном в моделировании аналоговых устройств. Адекватность результатов, получаемых после моделирования, и их сходимость с результатами, получаемыми на реальных схемах, подтвердилась при многолетнем опыте использования данной системы.
При использовании пьезодатчиков (акустического и быстропеременного давления, акселерометров и др.) с выходом измерительного сигнала в виде заряда возникает необходимость применения усилителя заряда или усилителя напряжения с высоким входным сопротивлением. В большинстве современных акусто-виброметрических систем отдается предпочтение использованию усилителя заряда в качестве согласующего усилителя [1]. Основное преимущество усилителя заряда заключается в том, что он совершенно исключает влияние длины соединительного кабеля на общую чувствительность и, следовательно, допускает применение соединительных кабелей практически любой длины. В то время как изменение длины соединительного кабеля в системе, содержащей усилитель напряжения, обуславливает необходимость подстройки коэффициента усиления и повторной калибровки системы. «Классический» зарядовый усилитель на операционном усилителе (ОУ) с емкостной обратной связью (ОС), представленный на рис. 1 (УГО элементов несколько отличаются от тех, которые устанавливает ГОСТ, в виду их начертания в MicroCAP).
Рис. 1. Схема электрическая принципиальная зарядового усилителя
Здесь Срд, ¥рд2, СР, Яр - элементы схемы замещения пьезоэлемента; СК -емкость кабеля; ЯК - сопротивление кабеля; С1 - емкость цепи обратной связи; Я
- сопротивление цепи обратной связи усилителя. Данная схема показывает хорошие параметры, а именно линейную АЧХ и удовлетворительные шумовые характеристики, естественно при правильном выборе ОУ. На рис. 2 приведен результат расчета АЧХ и переходного процесса зарядового усилителя при варьировании сопротивления пьезоэлемента в диапазоне (2.. .100 кОм).
\
Рис. 2. ЛАЧХ и осциллограмма выходного напряжения усилителя заряда
Данная схема является хорошим выбором в большинстве случаев, но все-таки обладает существенным недостатком, а именно, связь по постоянному току между ОУ и датчиком. Так, например, при воздействии температуры на датчик происходит падение сопротивления утечки пьезоэлемента (ПЭ). Пока величина не примет соизмеримое с Яг/Ку ОУ значение, в данном случае порядка 2 кОм, падение сопротивления не оказывает значительного влияния как на ЛАЧХ, так и на режим по постоянному току ОУ. Как только сопротивление приближается к вышеприведенному значению, происходит падение коэффициента усиления и возрастает постоянное напряжение на выходе ОУ (рис.2). Это происходит из-за увеличения погрешности ОУ, обусловленной конечным значением коэффициента усиления (причем на всех частотах вплоть до постоянного тока). Известно из [2], что данная погрешность обратно пропорциональна петлевому коэффициенту усиления ОУ и для данного случая определяется следующей формулой А¥1Ы/УШ= (1+Я1/Я1\\Я3)/
КУОУ. Падение коэффициента усиления (порядка - 2 дБ) при столь «экстремальном» режиме работы датчика является несущественным недостатком, но если при этом не происходит явление «забивания» усилителя в + ^ПИТ или - иПИТ. Так, например, при сопротивлении Яр=2 кОм по результатам моделирования на выходе ОУ присутствует постоянное напряжение смещения порядка 4.5 В (рис.2), известен случай, когда усилитель заряда переходил в насыщение и при куда большем сопротивлении утечки. Это происходило из-за применения ОУ с меньшим КУ ОУ и большим входным током смещения. Вследствие чего, не просто ограничивается динамический диапазон, а исключается возможность получения какой-либо информации от датчика. Также существует потенциальная опасность выхода усилителя из строя при подключении накопившего пирозаряд датчика (напряжение на электродах ПЭ может достигать 500В и даже более).
Столкнувшись с данными проблемами при разработке измерительных усилителей для установок Рубин - 2 и Атолл - 3М [3], М.Б. Копелиовичем была предложена и реализована схема зарядового усилителя с развязкой по постоянному току (рис.3).
...........'"о
Рис. 3.Зарядовый усилитель схема электрическая принципиальная
В данную схему была введена развязывающая цепочка С4 и Я4, которая разделяет ОС по постоянному и переменному току. Таким образом, при уменьшении Яр происходит как и в предыдущей схеме падение петлевого коэффициента усиления и вследствие этого возрастает погрешность коэффициента передачи. Но в данном случае это происходит только в области частот, а по постоянному току петлевой коэффициент усиления не меняется и режим работы ОУ остается нормальным. Это же подтверждают как результаты моделирования данной схемы (рис.4), так и испытание реального прототипа усилителя. Незначительные расхождения, имевшиеся между результатами моделирования и измеренными на реальном объекте, возникли из-за разброса номиналов резисторов и конденсаторов.
Как видно из графиков, изменение сопротивления пьезоэлемента не сказывается на постоянной составляющей выходного напряжения. Но так же видно наличие подъема ЛАЧХ в области низких (6.. .8 Гц) и высоких (0.3... 1 МГ ц) частот, но эти подъемы не превышают 2 дБ и могут легко компенсироваться пассивным ЯС фильтром. Применение ФНЧ с частотой среза порядка 300 кГц считается обоснованным. Так как на данных частотах применяемый ОУ перестает работать как усилительный элемент, в виду падения КУ ОУ и схема превращается в некое подобие емкостного делителя с фазовым сдвигом 360°.
Рис. 4. ЛАЧХ и осциллограмма выходного напряжения усилителя заряда
По мнению авторов, программа схемотехнического моделирования является хорошим инструментом не только для проектирования и обучения студентов аналоговой и аналого-цифровой схемотехники, но и для моделирования и изучения различных электромеханических систем.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Перспективы фирмы «Bruel & Kjer». Nerum, Denmark, 2001.
2. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого - цифровых электронных устройств.
- М.:Издательский дом «Додэка - XXI», 2005.
3. Руководство по эксплуатации измерителя «Атолл - 3М». РДФ.68.50.00.000 РЭ. 2007.
Галий Сергей Николаевич
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южный федеральный университет»
E-mail: sergei-galiy@aaanet.ru
344090, Ростов-на-Дону, ул. Мельчакова, 10
Тел.: +7(8632)696991
Г усенко Ирина Владимировна
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южный федеральный университет»
E-mail: kaf sau@mail.ru
Galiy Sergey Nikolaevich
Federal State-Owned Educational Establishment of Higher Vocational Education «Southern Federal University»
E-mail: sergei-galiy@aaanet.ru
10, Melchikova street, Rostov-on-Don, 344090
Phone: +7(8632)696991
Gusenko Irina Vladimirovna
Federal State-Owned Educational Establishment of Higher Vocational Education «Southern Federal University»
E-mail: kaf sau@mail.ru
