29. Схемная реализация активных фильтров

Схема активного фильтра 1-го порядка показана на рис. 5.26. Здесь и далее каждый пассивный элемент (резистор либо конденсатор), входящий в схему активного фильтра, условно обозначается комплексным сопротивлением z_i. Путем замены данных сопротивлений на активные либо емкостные сопротивления, при сохранении топологии схемы, можно получить на ее основе различные типы фильтров.

Рис. 5.26. Активный фильтр 1-го порядка

ФНЧ: ; (5.13)

ФВЧ: . (5.14)

а)

б)

Рис. 5.27. Схемы фильтров 1-го порядка: а) – ФНЧ; б) – ФВЧ

Передаточная функция схемы рис. 5.26 имеет вид:

. (5.15)

С учетом (5.13) передаточная функция ФНЧ имеет вид:

.

Коэффициенты передаточной функции ФНЧ:

Схемные элементы выбираются из условий:

Регулировки схемы: коэффициент усиления задается изменением соотношения резисторов R₃ и R₂ (k → R₃/R₂); частота среза задается изменением сопротивления R₁ (fc → R₁).

В случае k=1 R₃ выбирается равным R₁, а R₂ – размыкается.

С учетом (5.14) передаточная функция ФВЧ имеет вид:

.

Коэффициенты передаточной функции ФВЧ:

Схемные элементы выбираются из условий:

Регулировки схемы: частота среза задается изменением сопротивления R₁ (fc → R₁); коэффициент усиления задается изменением соотношения резисторов R₃ и R₂ (k → R₃/R₂).

В случае k=1 R₃ выбирается равным R₁, а R₂ – размыкается.

30. Схема Рауха (с мос)

Рис. 5.28. Схема Рауха

Достоинство схемы – минимальное количество элементов (1 ОУ, 5 пассивных элементов). Недостаток – ограничения по добротности и коэффициенту усиления:

ФНЧ: ; (5.16)

ФВЧ: ; (5.17)

ППФ: (5.18)

а) ФНЧ

б) ФВЧ

в) ППФ

ФНЧ 2-го порядка:

.

Коэффициенты передаточной функции ФНЧ:

Схемные элементы выбираются из условий:

Регулировки схемы: fc → R₃; → R₁ или R₂; k → R₂/R₁.

ФВЧ 2-го порядка с полиномиальным ФНЧ-прототипом:

.

Коэффициенты передаточной функции ФВЧ:

Схемные элементы выбираются из условий:

Регулировки схемы: fc → изменение R₁ и R₂ в равном процентном соотношении; Q → R₁ или R₂; k → С₁/С₂.

ППФ 2-го порядка с полиномиальным ФНЧ-прототипом:

. (5.20)

Коэффициенты передаточной функции ППФ:

Схемные элементы выбираются из условий:

Регулировки схемы: f₀ → R₂ и R₃ (в равном процентном соотношении); → R₂; k → R₁.

31.Схема Саллен-Ки (схема источника напряжения, управляемого напряжением): достоинства и недостатки. Реализация ФНЧ, ФВЧ, ППФ 2-го порядка.

Схема Саллен-Ки

Достоинство схемы – высокое входное сопротивление. Недостаток – ограничения по добротности и коэффициенту усиления:

Фильтры 2-го порядка на основе схемы Саллен-Ки

а )ФНЧ б)ФВЧ

в )ППФ

Передаточная функция ФНЧ 2-го порядка:

.

Коэффициенты передаточной функции ФHЧ:

Учитывая условие симметрирования ОУ: , получаем расчетные соотношения для элементов схемы:

Регулировки схемы: fc → R₁ и R₂ (в равном процентном соотношении); → R₁ или R₂; k → R₄/R₃.

Передаточной функции ФВЧ 2-го порядка с полиномиальным ФНЧ-прототипом:

.

Коэффициенты передаточной функции ФВЧ:

Учитывая условие симметрирования ОУ: , получаем расчетные соотношения для элементов схемы:

Регулировки схемы: fc → R₁ и R₂ (в равном процентном соотношении); → R₁ или R₂; k → R₄/R₃.

Передаточной функции ППФ 2-го порядка с полиномиальным ФНЧ-прототипом:

.

Принимая обозначение , запишем коэфф-ты передаточной функции ППФ:

Для удобства примем μ=2.Учитывая условие симметрирования, дополнение к системе имеет вид:

Схемные элементы выбираются из условий:

Регулировки схемы: f₀ → R₃; → R₂ или R₃; k → R₁.

32. Биквадратная схема: достоинства и недостатки. Реализация ФНЧ, ФВЧ, ППФ 2-го порядка.

Биквадратная схема

Достоинства схемы:1)высокая возможная добротность:

2) возможность построения звеньев, реализующих как полиномиальные (Баттерворта, Чебышева, Бесселя), так и неполиномиальные аппроксимации ЧХ (инверсный Чебышева, Кауэра).

Недостатки:1) высокие аппаратные затраты; 2) сложность настройки с учетом обеспечения точных соотношений номиналов резисторов.

Ф ильтры 2-го порядка на основе биквадратной схемы: а) –ФНЧ; б) – ФВЧ; в) – ППФ

а)

б)

в)

Передаточной функции полиномиального ФНЧ 2-го порядка:

.

Коэффициенты передаточной функции ФHЧ:

Схемные элементы выбираются из условий:

Регулировки схемы: f_c → R₃; → R₂; k → R₁.

После подстановки в передаточную функцию (5.29) биквадратной схемы значений (5.26), при соблюдении в схеме рис. 5.35, б условия: (*),

Передаточная функция ФВЧ 2-го порядка с полиномиальным ФНЧ-прототипом:

.

К оэффициенты передаточной функции ФВЧ:

Схемные элементы выбираются из условий:

Регулировки схемы: f_c → R₃; → R₂; k → R₁.

Передаточной функции ППФ 2-го порядка с полиномиальным ФНЧ-прототипом:

.

Коэффициенты передаточной функции ППФ:

Схемные элементы выбираются из условий:

Регулировки схемы: f₀ → R₃; → R₂; k → R₁.

33.Биквадратная схема: достоинства и недостатки. Реализация неполиномиального ФНЧ (инверсного Чебышева и Кауэра); ФВЧ, ППФ и ПЗФ с неполиномиальным ФНЧ-прототипом.

Биквадратная схема

Достоинства схемы:1)высокая возможная добротность:

2) возможность построения звеньев, реализующих как полиномиальные (Баттерворта, Чебышева, Бесселя), так и неполиномиальные аппроксимации ЧХ (инверсный Чебышева, Кауэра).

Недостатки:1) высокие аппаратные затраты; 2) сложность настройки с учетом обеспечения точных соотношений номиналов резисторов.

Ф ильтры 2-го порядка на основе биквадратной схемы неполиномиальный ФНЧ; ФВЧ, ППФ и ПЗФ с неполиномиальным ФНЧ-прототипом

П ередаточная функция, соответствующая общему виду передаточной функции неполиномиального звена 2-го порядка:

.

К оэффициенты передаточной функции неполиномиального ФHЧ:

Емкость C₁ выбирается из условия: (для всех передаточных функций) При реализации фильтров, имеющих невысокую добротность, емкость C₂ может быть выбрана равной емкости С₁, но в общем случае они могут быть не равны между собой. Значение R₇ выбирается из условия: .(для всех передаточных функций)

Остальные схемные элементы выбираются из условий:

Регулировки схемы: максимальное подавление в полосе задерживания → R₄; f_c → R₃; → R₂; k → R₁ или R₅.

К оэффициенты передаточной функции ФВЧ с неполиномиальным ФНЧ-прототипом:

Остальные схемные элементы выбираются из условий:

Регулировки схемы: максимальное подавление в полосе задерживания → R₄; f_c → R₃; → R₂; k → R₁.

К оэффициенты передаточной функции ППФ и ПЗФ с неполиномиальным ФНЧ-прототипом:

Остальные схемные элементы выбираются из условий:

Если добротность Q и (или) коэффициент усиления k имеют значения более 10, то C₂ и R­₇ должны выбираться таким образом, чтобы сохранился небольшой разброс значений сопротивлений схемы.

Регулировки схемы: максимальное подавление в полосе задерживания → R₄; f₀ → R₃; → R₂;  → R₁ или R₅.

Реализованные на биквадратной схеме неполиномиальный ФНЧ (инверсный Чебышева и Кауэра); ФВЧ, ППФ и ПЗФ с неполиномиальным ФНЧ-прототипом имеют одну и ту же схемную реализацию, и один и тот же вид передаточной функции. Разница в их частотных характеристиках обусловлена различными соотношениями 4-х коэффициентов, входящих в передаточную функцию.

34.Требования к элементам активных фильтров. Порядок анализа схем активных фильтров в системе Micro-CAP(порядка нет, возможно ответ на стр 139)

При проектировании схем активных фильтров необходимо учесть следующие особенности и требования:

1) При невысокой добротности (Q<10) используются относительно простые схемы звеньев (Рауха, Саллен-Ки). При более высоких значениях Q применяются более сложные звенья (например, биквадратное звено).

2) Частотная характеристика фильтра не изменится, если значение всех сопротивлений умножить, а значение всех емкостей – поделить любое рациональное число > 0.

3) Для минимизации погрешностей от входных токов каждого ОУ, примененного в инвертирующем включении, между их неинвертирующими входами и земляной шиной необходимо включить резисторы (выполнить симметрирование ОУ).

4) Коэффициент усиления каждого примененного в схеме фильтра ОУ (с разомкнутой обратной связью) должен как минимум в 50 раз превышать коэффициент усиления фильтра в полосе пропускания.

5) Скорость нарастания выходного напряжения ОУ V_Uвых должна обеспечивать полный размах выходного напряжения в полосе пропускания: V_Uвых ≥ 2πf_aU_m, где U_m – амплитуда выходного сигнала на частоте f_a (наибольшей частоте, пропускаемой фильтром).

6) Чем выше порядок фильтра, тем выше требования к качеству применяемых резисторов и конденсаторов – требуется минимальный разброс номиналов и минимальный температурный коэффициент сопротивления (емкости). Ориентировочно для фильтров 4-го – 8-го порядков полагают, что наибольшее допустимое отклонение от номинала не должно превышать 1%. Не следует применять конденсаторы с номиналом менее 10 пФ, так как они имеют низкую точность.

35.Первичные преобразователи неэлектрических величин. Классификация параметрических и генераторных преобразователей неэлектрических величин.

Первичные преобразователи неэлектрических величин делятся на два основных класса: параметрические и генераторные.

В параметрических преобразователях выходной величиной является приращение параметров электрической цепи (R, L, M, C) и поэтому при их использовании всегда необходим дополнительный источник питания. В генераторных преобразователях выходной величиной являются ЭДС, ток или заряд, функционально связанные с измеряемой величиной. Классификация параметрических преобразователей неэлектрических величин показана на рис. 4.1, а классификация генераторных преобразователей неэлектрических величин – на рис. 4.2.

Рис. Классификация параметрических преобразователей неэлектрических величин

Рис. Классификация генераторных преобразователей неэлектрических величин

36.Термопреобразователи сопротивления: свойства, характеристики, способы моделирования в Micro-Cap.

Термометром сопротивления (терморезистором) называется измерительный преобразователь, активное сопротивление которого изменяется с изменением температуры. Датчики температуры с терморезистором называются термометрами сопротивления, или термопреобразователями сопротивления (ТПС).

В качестве материала для термометра сопротивления пригодны только те, физические и химические свойства которых не изменяются с течением времени в измеряемом диапазоне температур. Сопротивление такого материала должно хорошо воспроизводиться и с изменением температуры монотонно повышаться. Кроме того, такие внешние воздействия, как давление, влажность, коррозия, деформация, не должны влиять на сопротивление термометра. Сопротивление металлов в общем случае повышается с температурой. Показателем изменения сопротивления от температуры служит температурный коэффициент сопротивления (ТКС): ,

где R₁₀₀ – сопротивление при t = 100 °С; R₀ – сопротивление при t = 0 °С; Δt^o = 100 °С, или характеристическое отношение сопротивлений: .

П о требованиям, предъявляемым к материалам, для термометров сопротивления более всего подходят платина (Pt), медь (Cu), никель (Ni), вольфрам (W). Конструкции чувствительных элементов ТПС бывают очень разнообразны в зависимости от пределов преобразуемых температур, условий эксплуатации и т. д. Чувствительный элемент платинового ТПС (рис. 4.3, а) имеет вид спирали 1, помещенной в канавках двух- или четырехканального керамического каркаса 2 и уплотненной порошкообразной окисью алюминия 3. Окись алюминия является хорошим электрическим изолятором, обладает большой теплостойкостью и хорошей теплопроводностью. Крепление платиновой спирали к каркасу осуществляется с помощью глазури на основе окиси алюминия и кремния. Чувствительный элемент медного термопреобразователя сопротивления представляет собой бескаркасную обмотку 1 из медной изоляционной проволоки (рис. 4.3, б). Сверху обмотка покрывается фторопластовой пленкой 4. Для обеспечения необходимой механической прочности обмотка помещается в тонкостенную механическую гильзу 2, засыпается керамическим порошком 3 и герметизируется.

а) б)

Конструкции чувствительных элементов ТПС: а) – платинового; б) – медного

Основные технические характеристики ТПС регламентируются ГОСТ 6651–94, в котором изменение сопротивления в функции температуры описывается номинальными статическими характеристиками (НСХ). При этом сопротивление ТПС определяется по формуле: R_t = W_t ∙ R₀.

Аналитически каждая НСХ на определенных температурных отрезках может быть описана интерполяционным уравнением. Вид интерполяционного уравнения и его коэффициенты зависят от материала ТПС и характеристического отношения сопротивлений W₁₀₀.

Рис НСХ платинового ТПС c

R₀ = 100 Ом, W₁₀₀ = 1,385

В обозначении ТПС указываются тип используемого материала (П – платина, М – медь, Н – никель) и номинальное сопротивление при 0 ºС. Стандартные платиновые термопреобразователи имеют обозначение ТСП, медные – ТСМ, а никелевые – ТСН. Номинальное сопротивление термопреобразователей находится в диапазоне единицы – сотни Ом.

Измерительный ток, вызывающий изменение сопротивления при 0 °С не более 0,1 % его номинального значения, в промышленных приборах, выбирается из ряда:

0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 2,0; 3,0; 5,0; 10,0; 15,0; 20,0; 50,0 мА.

П о точности воспроизводимости своей градуировочной характеристики и по допускаемому отклонению сопротивления R₀ от номинального ТПС делятся на классы допуска А, В и С. Конструктивно ТПС может иметь 2, 3 или 4 внешних вывода (рис. 4.5).

Разновидности конструктивного исполнения выводов ТПС: а – двухпроводная схема; б – трехпроводная схема; в – четырехпроводная схема

Первый способ моделирования – при помощи линейного и квадратичного температурных коэффициентов модели резистора

В текстовом окне MicroCAP при этом будет добавлена следующая строка:

.MODEL R_PT_1 RES (R=1 LOT=0.05% TC1=3.9692E-3 TC2=-5.829E-7 T_ABS=400)

Здесь LOT – допустимый разброс номинала ТПС класса допуска А, а T_ABS – абсолютная физическая температура компонента. При температуре анализа схемы, равной 27 ⁰С, температура анализа данного компонента (ТПС) составит 400 ⁰С.

По указанному способу можно задавать модели ТПС не более чем с двумя температурными коэффициентами в интерполяционном уравнении.

Второй способ моделирования – при помощи масштабного множителя сопротивления модели резистора (параметр «R»). Данным способом целесообразно задавать модель ТПС, если интерполяционное уравнение содержит более двух температурных коэффициентов.

В текстовом окне MicroCAP при этом будет добавлена следующая строка:

.MODEL R_Pt RES (R=1+400*(3.9692E-3 – 400*5.829E-7)LOT=0.05%)

Здесь 400 – измеряемая температура.

37. Термисторы, моделирование в Micro-Cap. Тензорезисторы, моделирование в MicroCap. Емкостные преобразователи, моделирование в Micro-Cap.

1)Полупроводниковые термометры сопротивления (термисторы) изготавливаются из окислов меди, кобальта, магния, марганца и т. д. Заготовка размельчается, размалывается и испекается в виде столбика, шайбы или шарика и заливается стеклом.

Термисторы отличаются от металлических термометров сопротивления гораздо меньшими габаритами и гораздо большими значениями ТКС. ТКС полупроводниковых терморезисторов, как правило, отрицателен.

Т емпературная зависимость сопротивления термометра описывается выражением:

,где А – постоянная, зависящая от материала и технологии, а также от формы термистора; В – коэффициент температурной чувствительности, имеющий размерность температуры.

Номинальное сопротивление термисторов имеет широкий диапазон – (10²…10⁶) Ом.

Кроме нелинейности, недостатком термисторов являются плохая воспроизводимость характеристик, что практически исключает взаимозаменяемость без подгонки. Пределы измерения для обычных термисторов составляют ­–100…+450 ºС. Благодаря малым размерам чувствительного элемента обеспечиваются хорошие динамические свойства при измерениях температуры. Основные области применения – химия, биология, медицина, системы температурной сигнализации.

Примеры характеристик термисторов

В Micro-CAP7 имеются модели термисторов, которые можно вставить в схему следующим путём:Component – Analog Library – Passive – Thermistor

Эти модели, например С619, S861, заданы не параметрами, а в виде макромоделей (Subckts), поэтому перед их моделированием нужно ознакомиться с соответствующей технической документацией.Следует отметить, что в настоящее время довольно широко также распространены интегральные микросхемы температурных датчиков общего назначения с аналоговым выходом (AD590, AD592, AD22100, TMP35). Моделей данных ИМС в базовой версии Micro-CAP7 нет. Однако следует учитывать, что фирмы-производители наряду с новым изделием, как правило, выпускают и его программное макроописание (Spice text file), которое конвертируется средствами Micro-Cap в бинарную библиотеку, доступную для использования при моделировании.

2)Емкостный преобразователь представляет собой конденсатор, электрические параметры которого изменяются под действием входной величины.

Конденсатор состоит из двух электродов, к которым подключены выводы. Пространство между электродами заполнено диэлектриком. При изменении взаимного положения электродов или при изменении диэлектрической проницаемости среды, заполняющей межэлектродное пространство, изменяется емкость конденсатора.

В качестве емкостного преобразователя широко используется плоский конденсатор. Его емкость определяется выражением: , где ε₀ = 8,85 · 10^–12 Ф/м – диэлектрическая постоянная; ε_r – относительная диэлектр-кая проницаемость среды м/у обкладками; Q – активная площадь обкладок; δ – расстояние м/у обкладками.

Изменение любого из параметров δ, Q, ε_r изменяет емкость конденсатора.

Основным недостатком емкостных преобразователей является их малая емкость и высокое сопротивление. Для уменьшения последнего преобразователи питаются напряжением высокой частоты. Однако это обусловливает другой недостаток – сложность вторичных преобразователей. Недостатком также является и то, что результат измерения зависит от изменения параметров кабеля. Для уменьшения погрешности измерительную цепь и вторичный прибор располагают вблизи датчика.

В Micro-CAP7 модель емкостного датчика задаётся как модель конденсатора. Если емкостной датчик может быть описан моделью плоского конденсатора, необходимо при вставке компонента задать величину номинала, равную 1 Ф (VALUE = 1), а в текстовом описании его модели в разделе <scale> записать формулу (1) для емкости плоского конденсатора.

В емкостном преобразователе переменными величинами могут быть δ, Q (измерение перемещений), либо ε (измерение уровня). Соответственно одна из этих величин должна изменяться перед проведением анализа для пересчета текущего значения емкости преобразователя по формуле (1).

Пример: .MODEL MOV_SEN CAP (C=1.00025*8.85e-12*0.01/5e-3 LOT=5%)

Здесь ε_r = 1,00025 (среда между обкладками­­ – воздух); ε₀ = 8,85·10^-12 Ф/м; Q = 0,01м² (пластины размером 0,1 x 0,1 м); δ = 5 мм, разброс значения емкости датчика = 5%.

При моделировании изменения расстояния между пластинами от δ₁ = 5 мм до δ₂ = 20 мм, емкость датчика будет изменяться 17,7 пФ до 4,43 пФ. Тангенс угла потерь и электрическое сопротивление изоляции как параметры модели конденсатора Micro-Cap7 заданы быть не могут, но могут быть промоделированы посредством подключения внешних резисторов.

3)В основе принципа работы тензорезисторов лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменении сопротивления проводников и полупроводников при их механической деформации. Основной характеристикой чувствительности материала к механической деформации является коэффициент относительной тензочувствительности K_Т (иногда в литературе обозначается как s):

, где ε_R – относительное изменение сопротивления тензорезистора; ε_l – относительное изменение длины проводника;

; ,

где Δρ – изменение удельного сопротивления тензорезистора; Δl – изменение длины проводника; ΔS – изменение сечения проводника.

Как правило, для расчета сопротивления тензорезистора применяется следующая формула: , где R₀ – сопротивление ненагруженного тензорезистора.

Коэффициент тензочувствительности полупроводниковых тензорезисторов определяется в основном изменением электрического удельного сопротивления, в отличие от металлических тензорезисторов в значительной степени зависит от деформации, а также от температуры и достигает 150…200.

.

По конструкции тензорезисторы делятся на проволочные, фольговые и пленочные

а)

б)

Рис. 4.11. Конструкции тензорезисторов: а – проволочного; б – фольгового

В Micro-CAP модель тензорезистора задаётся как модель резистора, имеющего номинальное сопротивление и ТКС того материала, из которого изготовлен тензорезистор. При этом необходимо при вставке компонента задать величину номинала, равную 1 Ом (VALUE = 1). Изменение эффективной длины моделируется соответствующим изменением масштабного множителя сопротивления (scale), рассчитываемого по формуле .

Пример:.MODEL R_PR RES (R=1+2*(0.15/6) LOT=5% TC1=5E-6)

Здесь K_Т = 2; Δl = 0.15 мм; l = 6 мм, разброс номинала тензорезистора=5%, ТКС константана = 0,5·10^{-5 0}С^-1.

38.Индуктивные и трансф-е преобразователи, моделирование в Micro-Cap.

Индуктивные преобразователи неэлектрических величин изменяют свою индуктивность или взаимную индуктивность в зависимости от положения, геометрических размеров и магн-го сопротивления элементов магн-ой цепи. Индуктивность обмоток, расположенных на магнитопроводе, наиболее сильно зависит от длины воздушного зазора  и площади поперечного сечения воздуш-го участка магнитопровода S: .Индуктивность обмоток, намотанных на каркас вокруг подвижного сердечника, зависит от эффективной длины сердечника l_c: .

Рис.. Варианты индуктивных преобразователей: x – перемещение; S - площадь поперечного сечения воздушного участка магнитопровода;  – длина воздушного зазора магнитопровода

И зменение параметров δ, S или l_c при перемещении подвижных элементов на расстояние x позволяет использовать индуктивные датчики в качестве первичных преобразователей перемещения в диапазоне (0,01…100) мм. Роль измерений перемещения велика, потому что часто силу, давление, момент для возможности измерения предварительно механически преобразуют в перемещение. В трансформаторных преобразователях изменение δ, S или l_c вызывает изменение взаимной индуктивности обмоток М, а, следовательно, и амплитуды переменного напряжения на выходе. Наибольшее распространение получил дифференциальный трансформаторный датчик перемещений.

Рис. 4.18. а)Принцип работы дифференциального трансформаторного датчика перемещений, б)характеристика дифференциального трансформаторного датчика перемещений

Вторичные обмотки включены встречно. При нейтральном (симметричном положении) сердечника напряжение на выходе равно нулю: .

Смещение сердечника относительно нейтрального положения приводит к появлению выходного напряжения, причём его фаза при переходе через нейтральное положение меняется на 180⁰.

В MicroCAP7 модель индуктивности включена в раздел пассивных компонентов:

Component–Analog Primitives–Passive Components–Inductor .

Формат текстового описания модели индуктивности:

.MODEL <имя модели> IND (L=<scale>[LOT=x%] [DEV=x%] [TC1=x][TC2=x][IL1=x][IL2=x])

<scale> – масштабный множитель индуктивности;

LOT, DEV – коррелированный и независимый разброс значений параметра соответственно;

TC1, TC2 – температурные коэффициенты индуктивности (линейный [⁰С^-1] и квадратичный [⁰С^-2]);

IL1, IL2 – коэффициенты тока (линейный [А^-1] и квадратичный [А^-2].

Формат схем:

PART – имя;

VALUE – значение [Iс = начальный ток];

MODEL – имя модели.

Индуктивность=<значение>·<scale>·(1+IL1·I+IL2·I2)· [1+TC1·(T–Tnom)+TC2·(T–Tnom)²]

Модель взаимной индуктивности и магнитного сердечника:

Component–Analog Primitives–Passive Components–К

Формат схем:

PART – имя;

INDUCTORS – имя индуктивности i имя индуктивности j* имя индуктивности k*…;

COUPLING – коэффициент связи;

MODEL – имя модели.

В поле INDUCTORS перечисляются связанные индуктивности. Коэффициент связи COUPLING описывает взаимную индуктивность: .

Напряжение на i-той катушке с учётом взаимной индуктивности определяется следующим образом: .

Кроме того, в MicroCAP7 имеется модель идеального трансформатора без потерь:

Component–Analog Primitives–Passive Components–Transformer

Для него в поле VALUE через запятую задаётся индуктивность первичной обмотки L₁, индуктивность вторичной обмотки L₂ и коэффициент связи.

Пример: VALUE = 1Е-4, 1Е-2, 0.98

Изменение числа витков обмоток моделируется путём изменения индуктивностей L₁ и L₂.

39.Термоэлектрические преобразователи: свойства, характеристики, способы моделирования в Micro-Cap.

Явление термоэлектричества было открыто Зеебеком в 1823 г. Если два разнородных проводника соединить между собой (рис), и концы этих проводников будут находиться под разными температурами, то в такой цепи будет течь ток под действием ЭДС Е, которую называют термоЭДС: .

ТермоЭДС изменяется с положительным температурным коэффициентом порядка единицы-десятки мкВ/ºС. Таким образом, термоэлектрические преобразователи (термопары, ТЭП) относятся к классу генераторных датчиков. Термопары используются для измерения температуры в широком диапазоне (в зависимости от материала проводников, от –270 до +2500 ºС). Материал электродов термопар стандартизирован, например: 1)тип ПП (S): платинородий ПР-10 – платина;

2)тип ХК (Е): хромель – константан; 3)тип ЖК (J): железо – константан.

Рис. 4.7. а)Возникновение термоЭДС; б) Схема измерения термоЭДС

Проводник А положителен по отношению к проводнику В, если ток течет от проводника А к В в более холодном спае. Величина термоЭДС зависит от конкретного материала термопары. Например, если Т₁ = 0 °С, а Т₂ = 1 °С, то для термопары медь – константан Е_АВ ≈ 39 мкВ, а для термопары медь – платинородий Е_АВ ≈ 5 мкВ. Измерения проводят амперметром, либо милливольтметром.

Традиционное конструктивное устройство промышленной термопары: термоэлектроды, изолированы друг от друга керамическими бусами или керамической трубкой; одним из своих концов они сварены, другим присоединены к зажимам в головке, служащей для подключения внешних проводов. Термоэлектроды помещены в защитный чехол. Чехол выполняется из жаропрочной ткани, а при измерении очень больших температур – из керамики или кварца.Номинальные статические (градуировочные) характеристики термопар всех типов приведены в ГОСТ 3044–94 и в приложении А . НСХ таблично описывает зависимость термоЭДС (мкВ) от измеряемой температуры (ºC) при условии, что опорный спай находится при температуре 0 ºС.

Градуировочные характеристики термопар в широком диапазоне температур нелинейны. Аналитически каждая НСХ на определенных температурных отрезках описывается интерполяционным уравнением. Так же, как и для ТПС, для термопар имеются точностные классы допуска – классы 1, 2 и 3 (точность уменьшается с увеличением номера)

Подключение термопары к измерительному усилителю (ИУ) согласно рис. 4.25, при котором рабочий спай находится в среде с измеряемой температурой t_р.с., а опорный (холодный) спай находится возле вторичного измерительного преобразователя при температуре t_о.с., может быть промоделирован в системе Micro-CAP при помощи нелинейных функциональных источников напряжения NFV (рис. 4.26):

Component – Analog Primitives – Function Sources – NFV

В поле VALUE нужно задать зависимость E(t_р.с.) или E(t_о.с.).

Рис. 4.25. а)Классический способ подключения к ИУ термопары типа J

б). Моделирование рабочего и опорного спая термопары в системе Micro-CAP

Эквивалентная ЭДС на входе ИУ при этом составляет:

Например, для термопары типа ТМК «медь – копель» при t⁰С = (–200…100) ⁰С интерполяционное уравнение имеет вид (4.1). Моделируя в системе Micro-CAP данную термопару, при измеряемой температуре 80 ⁰С, для источника E(t_р.с.) нужно задать:1E–6*80*(42.671975429+80*(5.03608729939E–2+80*(–4.60777599659E–5)))

Для такого способа моделирования термопары при изменении измеряемой температуры нужно будет перед анализом вносить изменения в выражение, описывающее источник E(t_р.с.). В случае, если опорный спай находится в одинаковых температурных условиях с измерительной схемой, для источника E(t_о.с.) нужно задать: 1E–6*TEMP*(42.671975429+TEMP*(5.03608729939E–2+TEMP*

(–4.60777599659E–5)))

40.Пьезоэлектрические преобразователи: свойства, характеристики, способы моделирования в Micro-Cap.

Пьезоэлектрические преобразователи используют прямой пьезоэлектрический эффект, заключ-ся в появлении электрического заряда на поверхности некоторых кристаллов (кварц, турмалин, титанат бария) под влиянием механических напряжений. Это позволяет их использовать в качестве первичных измерительных преобразователей силы, давления и ускорения. Выходная мощность этих преобразователей мала, поэтому к выходу преобразователя должен быть подключен измерительный усилитель с высоким входным сопротивлением (10¹¹ Ом и более).

Пример. Измерительный преобразователь переменного давления.

И спользуются кварцевые пластины, наружные обкладки которых заземлены, а внутренние разделены слоем латунной фольги. Вывод от фольги с помощью экранированного кабеля подаётся на вход измерительного усилителя.

Рис. а) Схема измерительного преобразователя переменного давления; б) Эквивалентная схема измерительного преобразователя переменного давления: q – заряд; С₀ – ёмкость преобразователя; R₀ – сопротивление преобразователя; С_ВХ – ёмкость кабеля и входная ёмкость измерительной цепи; R_ВХ – входное сопротивление измерительной цепи

Электрический заряд, возникающий на кварцевых пластинах, пропорционален давлению: где k – пьезоэлектрический коэффициент; – сила, воздействующая на пьезоэлектрик с частотой ; S – площадь мембраны, на которую воздействует сила.

Пьезоэлектрические преобразователи используются, как правило, для измерений быстроизменяющихся величин давления и силы.

Моделирование схемы пьезоэлектрического преобразователя в MicroCAP7 можно осуществить, заменяя источник заряда q источником тока:

.

Рис. 4.30. Пример моделирования в MicroCAP7 пьезоэлектрического преобразователя

Вставка независимого источника тока:

Component – Analog Primitives – Waveform Sources – I

В графе IA задаётся число , а в графе F0 – частота f переменного давления.