2.7 Моделирование термометра в режиме Transient Analysis

Проведем моделирование термометра в режиме Transient Analysis, при различных значениях температуры.

Построим график прямого напряжения диода в узле V(IN) при изменении температуры в указанном диапазоне в режиме анализа переходных процессов Transient analysis. Для вызова данного режима необходимо выбрать пункт меню Analysis, затем выбрать подпункт Transient analysis или одновременно нажать кнопки «Alt» и «1». При выполнении этих действий должно появиться окно, показанное на рисунке 2.18.

Рисунок 2.18 – Панель задания параметров анализа работы схемы во временной области при установке изменения температуры в режиме «List» 100, 0, –50 °С

В данном окне настраиваем следующие поля:

• Maximum Run Time – диапазон (время) расчета – можно оставить стандартным (так как у нас постоянное напряжение и все равно на каком временном участке его смотреть)

• Output Start Time – время начала анализа оставляем равным нулю.

• Maximum Time Step – максимальный шаг по времени должен быть в тысячу раз меньше, чем диапазон времени (этот параметр влияет на быстродействие симуляции и точность рисовки графиков – чем меньше шаг, тем точнее графики, но тем медленнее они зарисовываются. Если диапазон времени взят равным 1мс, то максимальный шаг по времени должен быть – 1 мкс.

• Temperature – рабочая температура – в списке выбираем List вместо Linear, и через запятую перечисляем значения температуры от большего к меньшему (в нашем случае «100,0,-50»).

• Далее мы выбираем X Expression (выражение по оси Х) – в данном случае это будет время T, оставляем все как есть.

• Y Expression (выражение по оси Y) – это тот сигнал, который мы хотим исследовать. В нашем случае это прямое напряжение на диоде – V(In).

• X Range (масштаб по оси Х) всегда ставим TMAX, TMIN, чтобы смотреть только исследуемый диапазон, который мы задали ранее.

• Y Range (масштаб по оси Y) выставляем AutoAlways для автоматического масштабирования.

При этом получим следующий график, представленный на рисунке 2.19.

Рисунок 2.19 – Зависимость прямого напряжения диода VIN при температурах 100, 0, –50°С

Для того, чтобы добавить подписи на график, необходимо на главной панели меню выбрать вкладку Scope → Label Branches. В появившемся окне, показанном на рисунке 2.20, выбираем пункт Automatically selected location и нажимаем кнопку ОК. После этого на графике появятся подписи.

Рисунок 2.20 – Окно настроек отображения надписей на графике

Для точного измерения значений напряжений на диоде при разных температурах необходимо воспользоваться левым и правым маркерами, нажав кнопку Next Simulation Data Point (рисунок 2.21), появляющуюся в режиме проведения анализа в панели инструментов. Маркеры могут устанавливаться либо с помощью курсора мыши, либо с помощью клавиатуры. Результат данного действия приведен на рисунке 2.22.

Рисунок 2.21 – Панель инструментов. В рамке: инструмент «Go to Y» (слева), кнопка «Next Simulation Data Point» (справа)

Рисунок 2.22 – Получение точных значений напряжений с помощью левого и правого вертикальных маркеров

Задание необходимых параметров для точного выставления курсора производится после вызова вспомогательной панели нажатием кнопки Go To Y (рисунок 2.23) в режиме Transient analysis.

Переходить от графика при одной температуре к графику при другой температуре можно при помощи инструмента Go To Brunch, который показан на рисунке 2.23.

Рисунок 2.23 – Инструмент «Go To Branch»

Для вызова маркеров (вертикальных линий), управляемых левой и правой клавишами мыши, включаем вкладку для перехода к ветви при заданной температуре (Go To Branch). Появится окно, показанное на рисунке 2.24.

Рисунок 2.24 – Перенос вертикального маркера на заданную прямую графика с помощью панели «Go to Branch»

Около маркера в рамке появляются два значения: первое – по оси Х, т. е. время в рассматриваемом случае, а второе – величина прямого напряжения на диоде. В нижней части экрана кроме координат положения маркеров отображаются значения их разностей по обеим осям (Delta), а также наклона (Slope).

За счет подачи компенсирующего напряжения V3 противоположной полярности относительно напряжения на диоде D1 необходимо добиться того, что при нулевой температуре выходное напряжение операционного усилителя также будет равно 0. При нагревании p-n-перехода диода напряжение на диоде уменьшается, при этом компенсационное отрицательное напряжение будет превосходить действие положительного напряжения диода, обеспечивая получение на выходе положительного напряжения, соответствующего измеряемой температуре.

В схеме на рисунке 2.15 номиналы подобраны так, что выходной сигнал с усилителя v(Out) действительно очень близок к 0, как можно видеть на рисунке 2.25.

Рисунок 2.25 – Выходное напряжение термометра при различных

значениях температуры в диапазоне –50 … +100 °С (Transient Analysis)

Из графика на рисунке 2.25 видно, что при –50 °С выходное напряжение составляет –500 мВ, при 0 °С – 0 В, а при +100 °С – +1050 мВ. Таким образом, значение крутизны выходной характеристики обеспечивается на уровне 10 мВ/°С.

Датчиком температуры в работе является кремниевый диод D1 типа 1N3821. Через диод пропускают фиксированный постоянный ток, задаваемый источником постоянного тока I1. Этот ток образует падение прямого напряжения на диоде D1. Это напряжение усиливается на схеме неинвертирующего усиления на ОУ с одновременной компенсацией напряжения, соответствующего 0 °С. Эта компенсация обеспечивает нулевое напряжение на выходе ОУ при 0 °С.

Полученная схема термометра имеет следующие технические параметры:

– температурный диапазон, °С –50 … +100;

– диапазон изменения выходного напряжения термометра, мВ –500 ... +1000;

– коэффициент преобразования температуры, мВ/°C 10;

– температурный коэффициент напряжения диода для прямого включения, мВ/° C –1,75.