CC BY
129
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №2/2016 ISSN 2410-6070 Список использованной литературы:
1. Богданов В.В. Управление проектами. Корпоративная система - шаг за шагом. - М. : Манн, Иванов и Фербер, 2012. - 248 с. - ISBN 978-5-91657-232-2.
2. В.Н. Семенов. Особенности экспертизы промышленной безопасности технических устройств / Безопасность труда в промышленности. - 2015. - № 1
3. Воронов С. А., Воронов Г. А. Взаимосвязь инновационных технологий управления бизнесом с рисками. Технологии развития бизнес-процессов [Текст] / С. А. Воронов // Предприниматель. - 2007. - № 3. - С. 114123. - 0,6 п.л. 9
4. Гарькин И. Н. Экспертиза промышленной безопасности конструкций козлового крана [Текст] / И. Н. Гарькин, Д. В. Еркин, В. А. Наумов // Молодой ученый. - 2015. - №9. - С. 179-181.
5. Горина Л. Н. Промышленная безопасность и производственный контроль : учеб.-метод. пособие / Л. Н. Горина, Т. Ю. Фрезе ; ТГУ ; Ин-т машиностроения ; каф. "Управление промышленной и экологической безопасностью" . - ТГУ. - Тольятти : ТГУ, 2013. - 153 с. : ил. - Библиогр.: с. 119-120. - Прил.: с. 121-153. - 79-47.-22
6. Жидко Е. А. Управление техносферной безопасностью [Электронный ресурс] : учеб. пособие / Е. А. Жидко. - Воронеж : ВГАСУ, 2013. - 159 с. - ISBN 978-5-89040-458-9.
7. М. Л. Разу, З. П. Румянцева, Н. А. Саломатина [Текст]// Менеджмент организации. - М.: Инфра, 2006. 4. Флорова Г. Н. Сущность процессного подхода // www.audit-premier.ru/7news 2005.pdf.
8. Надежность технических систем и техногенный риск [Электронный ресурс] : учеб. пособие / сост. С. А. Сазонова и [др.]. - Воронеж : Воронеж. ГАСУ : ЭБС АСВ, 2013. - 147 с. - ISBN 978-5-89040-457-2.
9. О промышленной безопасности опасных производственных объектов: федеральный закон от 21 июля 1997 г. № 116-ФЗ.// Гарант плюс http:base.garant.ru/11900785/.
10.Слесарев Д. Ю. Оценка риска и теория принятия решений : учеб. пособие / Д. Ю. Слесарев ; ТГУ ; Архитектурно-строит. ин-т ; каф. "Теплогазоснабжение и вентиляция" . - ТГУ. - Тольятти : ТГУ, 2012. - 82 с. : ил. - Библиогр.: с. 77. - Прил.: с. 78-81. - 22-78.
11.Технический регламент о безопасности зданий и сооружений. Федеральный закон от 30 декабря 2009 года № 384-ФЗ // Собрание законодательства РФ. 2010. № 1. Ст. 5.
12.Фадеева Г. Д., Гарькин И. Н., Забиров А. И. Экспертиза промышленной безопасности зданий и сооружений: характерные проблемы [Текст] // Молодой ученый. - 2014. - № 4. - С. 285-286. 2.
13. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Правила проведения экспертизы промышленной безопасности», утвержденные приказом от 14 ноября 2013 г. № 538 26 декабря 2013 г. № 30855 - 31 декабря 2013 г. в «РГ» - Федеральный выпуск № 6272, 24 с.
© Данилина Н.Е., Панишев А.Л., 2016
УДК 001.891.53
Д.М. Деменков
Магистрант
Кафедра электроники и микропроцессорной техники (ЭиМТ) Филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МЭИ» в г. Смоленске.
Г. Смоленск, Российская Федерация
АЛГОРИТМ МАТЕМАТИЧЕСКОГО РАСЧЕТА ТЕМПЕРАТУРНОЙ КОМПЕНСАЦИИ
ЭЛЕКТРОННОЙ СХЕМЫ
Аннотация
В работе приведен пример расчета температурной зависимости электронной схемы на операционных усилителях в программе MathCAD14.0. Описана необходимость данного расчета, при разработке измерительных электронных устройств. Выявлены факторы, влияющие на точность измерений.
Ключевые слова
Измерительная схема, температурная зависимость, формула расчета.
При разработке электронных устройств часто приходится рассчитывать влияние температуры окружающей среды на выходной сигнал измерительной схемы. Особенно это важно для случая, когда измеряемый сигнал настолько мал, что, уход усилительных узлов схемы от температуры не получается скомпенсировать ни аппаратными, ни программными методами, что не удовлетворяет требованиям к основной погрешности измерения. В этом случае динамический диапазон измерения АЦП микроконтроллера будет меньше диапазона изменений выходного полезного сигнала.
Рассмотрим фрагмент схемы измерения сигнала термокаталитического датчика для оксида углерода (СО). Метод основан на измерении сопротивления чувствительного элемента датчика, покрытого катализатором, при протекании реакции окисления оксида углерода. Условимся, что эксплуатация платы осуществляется в диапазоне температур 0 ^ 70°С. В случае отсутствия СО в рабочей зоне, сопротивления рабочего и измерительного элементов датчика равны 1950 Ом.
Рисунок 1 - Схема измерения сигнала термокаталитического датчика СО. Расчет проводится в программе
МаШСЛБ14.
Рисунок 2 - Расчет входного сигнала в программе Ма1ЬСЛБ14
Температурный коэффициент сопротивления ТКС для R2 иR4 в ррт/С: ТКС := 25-10 Учитывая ТКС резисторов, для диапазона температур AT := 70 С TKCLn := ТКС-ДТ = 1.75 х 10~
Расброс входного сигнала, при изменении температуры от 0 до 70С. В:
Rcp
ДЦвх min t := ТГпит-
ДЦвх max t := UniiT
R4 + R4-TKC7[]'
(R2 - R2-TKC_q + R4 + R4-TKC70)
= -2.625 x 10
-3
Rcp
R4- R4-TKC?0
|R2 + R2-TKC,0 + R4-R4-TKC70j
= 2.625 x 10
-3
, „„ , ДШх max t-10 -4
На каждые ЮС расорос равен: Д1Л :=-= 3.75 х 10
ДТ
В
Рисунок 3 - Расчет влияния температуры на входной сигнал Из расчета видно, что каждые 10 градусов входной сигнал усилительного каскада изменяется на 0,375 мВ, а в рабочей зоне отсутствует СО и сигнал датчика должен быть 0 мВ. Отсюда следует, что это напряжение необходимо компенсировать.
Далее рассмотрим расчет усилительного каскада на операционных усилителях и факторы, влияющие на изменение полезного сигнала при изменении температуры окружающей среды.
:*асчет каскада усиления:|
Используется схема инструментального усилителя.
Для данной схемы должно выполняться равенство соотношений:
R17 R18
-= 2 должно быть равно -= 2
R12 R13
Как вццно из выражений, условие выполняется!!! Выходное напряжение схемы определяется формулой:
R17 ( R8 4- R9 Ивых := (AUBX_max_t)---■[ -+ 1 | = 2.617 В
R12 ^ R6
Здесь коэффициент усиления, без учета влияния температуры:
RH. R8±R9 + 1| = 997_025 R12 v R6
+
Изменение коэффициента усиления на температуре:
ТКС резисторов в каскаде усиления. ррт/С: ТКС 2 := 75-10
Учитывая ТКС резисторов, для диапазона температур ДТ = 70 С
ТКС 2 70 := ТКС 2-ДТ
ТКС_2_70 = 5.25 х 10~ 3
К17 + К17-(ТКС 2 70)
Кус 1 :=---^^—1
К12 + К12-(ТКС 2 70)
[RS + R8-(TKC_2_70)] + [R9 + R9-(TKC_2_70)] R6 - R6-(TKC_2_70)
+ 1
Kyc_t = 1.008 x 10
Рисунок 4 - Расчет усиления в программе MathCAD14
Из расчета следует, что коэффициент усиления схемы увеличивается с изменением температуры, причем здесь приведен крайний случай изменения сопротивлений элементов.
В схеме используются резисторы С2-29В с разбросом номиналов 0,1%. Далее учтем разброс номиналов сопротивлений, при расчете коэффициента усиления.
Учитывая процентныйрасброс номиналов 0.1%: Р := 0.001 R17_min := R17 - R17-P = 19.98 кОм R12_min := R12 - R12P = 9.99 кОм R17_max := R17 + R17-P = 20.02 кОм R12_max := RL2 + R12-P = 10.01 кОм RS miii := R8 - R8 P = 99.9 кОм R6_min := R6 - R6 P = 0.402 кОм R8_max := R8 + R8P = 100.1 кОм R6_max := R6 4- R6 P = 0.402 кОм R9_max := R9 4- R9 P = 100.1 кОм R9 min := R9 - R9 P = 99.9 кОм
Изменение коэффицигнтаусиления сучетом %расброса резисторов:
Kyc_min_ := Кус_шах_ :=
R17_min R12_max
R17_max R12 min
(R8_min) + (R9_min) (Römax)
(R8_max) + (R9_max) (R6_min)
Kyc_max_ = 1.001 x 10 Kyc_min_ = 993.049
Рисунок 5 - Расчет коэффициента усиления, учитывая разброс номиналов
Теперь сложим факторы, влияющие на коэффициент усиления схемы. Для этого необходимо учесть крайние случаи влияния температуры и разброса номиналов резисторов в схеме.
Рисунок 6 - Расчет коэффициента усиления, учитывая разброс номиналов и температуру
Для расчета всех параметров схемы, зависящих от температуры, необходимо рассчитать температурный дрейф операционных усилителей, который значительно может влиять на полезный сигнал.
Основной причиной появления дрейфа напряжения сдвига, изменяющегося в зависимости от температуры, являются изменения ибэ с температурой. ибэ кремниевого транзистора уменьшается с ростом
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №2/2016 ISSN 2410-6070
температуры примерно на 2 мВ/°С. Эти изменения не одинаковы для каждого из входных транзисторов, что и вызывает появление напряжения сдвига. Так как оба входных напряжения изменяются с температурой не одинаково, дрейф напряжения сдвига обычно составляет несколько микровольт на градус Цельсия.
Другим источником появления температурного дрейфа является зависимость И2ю транзистора (коэффициент усиления транзистора по току) от температуры. Усиление постоянного тока базы увеличивается с ростом температуры, но Ь2ю транзисторов не равны друг другу и увеличиваются не с одинаковой скоростью при увеличении температуры. Это приводит к тому, что токи смещения будут различными для каждого из транзисторов; в результате появляется изменяющийся с температурой входной ток смещения. Это приводит к появлению сдвига выходного напряжения. Тепловые токи транзисторов также не одинаковы, это вызывает дополнительное увеличение тока сдвига и его рост с температурой.
Операционные усилители с входными каскадами на полевых транзисторах также имеют дрейф. Причинами появления ДиОДв/ДТ усилителя на полевых транзисторах является наличие Дизи/AT и Agm/ AT (Изи — напряжение затвор-исток (при данном токе истока), a gm — крутизна полевого транзистора.). Главной причиной появления Д1см/ДТ являются температурные изменения токов утечек затворов. У схем на полевых транзисторах ток сдвига имеет очень малую величину, но все же он есть.
Отношение ДиОДв/ДТ, т. е. изменение напряжения сдвига от температуры, и Д1ОДв/ДТ, т. е. изменение тока сдвига от температуры,— это паспортные данные операционного усилителя. Дисдв/ДТ = 1,5 мкВ/°С; Д1сдв/ДТ = 15 нА/°С.
В расчете будет приведен наихудший случай, когда оба слагаемых дрейфа изменяются в одном направлении.
Обозначим ошибку, приведенную ко входу, как Е. Чтобы ее вычислить, просто определим величину входного напряжения, которое необходимо приложить к неивертирующему входу для того, чтобы на выходе получить напряжение ошибки при условии, что ивх = 0. Так как tвх=0, то любое выходное напряжение определяется только температурным дрейфом.
|Уход операционных усилителей от температуры (температурный дрейф) |
ЦстДТ := 1.5-10 В/С - изменение напряжения смещения от температуры _ _ g
lern ДТ := 15-10 А/С - изменение тока смещения от температуры
[Для неинвентирующего ОУ уход от температуры: |
R6 = 0.402 кОм Roc := R8 = 100 кОм
р учетом процентного расброса номинала:| р := 0.001
R8 min = 99.9 кОм R6 min = 0.402 кОм R8_max = 100.1 кОм R6 шах = 0.402 кОм „-5
-3
ТКС 2 = 7.5 х 10 ТКС_2_70= 5.25 х 10 R8 min t := R8 min + R8 min-TKC 2 70 = 100.4244: кОм R6 min t := R6 min - R6 min-TKC 2 70 = 0.399 кОм R8 max t := R8 max + R8 max-TKC 2 70 = 100.626 кОм R6 max t := R6 max+ R6 max-TKC 2 70 = 0.405 кОм
Ошибка, приведенная ко входу ОУ:
Енеинв ном := (11сш_ДТ)-ДТ-
R6-103-R8-103
R6-10 +R8-10
(lern ДТ)-ДТ= 5.254 х 10 4 В
Рисунок 7 - Расчет температурного дрейфа операционных усилителей
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №2/2016 ISSN 2410-6070
Данное выражение используется для определения ошибки, приведенной ко входу неинвертирующего операционного усилителя. Теперь приведем формулу расчета данной ошибки с учетом разброса номиналов сопротивлений и ТКС резисторов.
Ошибка, приведенная ко входу ОХ сучетом процентного расброса номиналов резисторов и ТКС:
f 1 -з \
Енеинв_тш := (ист_ДТ)-ДТ -
Енеинв_тах := (истДТ)-ДТ +
3 3
R6_min_t ■ 10 RS max t-10
V R6_min_t- LO3 + RSmaxt-103 j
t' 3 3
R6 max t ■ 10 -R8 min t ■ 10'
3 3
V RS max t 10 + R8_min_tl 0 у
(1сш_ДТ)-ДТ = 5.228 x 10 В
(1ст_ДТ)ДТ = 5.28 х 10"
-4
Изменение выходного напряжения ОУ сучетом температурного дрейф а ОУ:
R8 + R6
Дивых ОУнеинв ном := (Енеинвном + ДШх)--- 0.13 L В
R6
Изменение выходного напряжения каждого ОУ с учетом температурного дрейфа ОУ и процентного расброса номиналов резисторов, учитывая ТКС:
Д1Гвых_ОУнеинв_:тт := (Енеинв тт + ДШх)
Д11вых_ОУнеинв_тах := (Енеинв тах + Д11вх)
R8 min t + R6 max t
R6_max_t R8_max_t + R6_min_t R6 min t
= 0.13 В
0.134B
Изменение выходного напряжения каскада, с учетом дрейфа по Т ЭУ, ТКС резисторов, процентного расброса номиналов резисторов:
|ДШ_оу :- Д1Гвых_ОУнеинв_тах■ 2 = 0.267 | В
В заключении необходимо отметить, что для обеспечения стабильной работы приведенной схемы в широком диапазоне температур и повышения точности измерений, резисторы R2 и R4 требуется выбирать с ТКС меньше 25 ppm/°C.
Список использованной литературы
1. Применения операционных усилителей и линейных ИС/ Фолкенберри Л. - Пер. с англ. - М: Мир, 1985, 572 с.
2. Современные операционные усилители фирмы National Semiconductor / Г. Штрапенин // Компоненты и технологии. - 2005. - № 7.
3. LMC6001 Ultra Ultra-Low Input Current Amplifier: Technical Data: National Semiconductor, Corp. - U.S.A., 2003. - 14 p.
4. Транзисторы и линейные ИС. Руководство по анализу и расчету, /Гринфилд Дж. - М.: Мир, 1992.
5. 2. Усилительные устройства/ Остапенко Г.С.- Учеб. пособие для вузов. М.:Радио и связь, 1989.
6. Искусство схемотехники. Т. 1 / Хоровиц П., Хилл У. М.: Мир, 1984.
7. Гимаров В. А., Дли М. И., Круглов В. В. Задачи распознавания нестационарных образов //Известия Российской академии наук. Теория и системы управления. 2004. № 3. С. 92-96.
8. Дли М. И., Какатунова Т. В. Нечеткие когнитивные модели региональных инновационных систем // Интеграл. 2011. № 2. С. 16-18.
9. Бояринов Ю. Г., Борисов В. В., Мищенко В. И., Дли М. И. Метод построения нечеткой полумарковской модели функционирования сложной системы // Программные продукты и системы. 2010. № 3. С. 26.
10.Гимаров В. А., Дли М. И., Битюцкий С. Я. Нейро-нечеткий метод классификации объектов с разнотипными признаками //Системы управления и информационные технологии. 2004. Т. 16. № 4. С. 13-18.
11.Бояринов Ю. Г., Стоянова О. В., Дли М. И. Применение нейро-нечеткого метода группового учета аргументов для построения моделей социально-экономических систем // Программные продукты и системы. 2006. № 3. С. 7.
© Деменков Д.М., 2016
