И по возмущающему воздействию (температуре)

 

Значение сопротивления R 1 и средние значения варьируемых при эксперименте параметров х_{i ,0} (температуры окружающей среды Т ₀ = х _1,0, напряжения питания V 1₀ = х _2,0, сопротивления нагрузки R 4₀ = х _3,0) выбирать в соответствие с номером варианта задания из таблицы 3.9.

Температура окружающей среды Т = х ₁ = х _1,0±Δ х ₁, а шаг её варьирования Δ Т = Δ х ₁ = 25^оС. Напряжение питания V 1 = х ₂ = х _2,0 ± Δ х ₂, а шаг его варьированияΔ V1 = Δ х ₂ = 1В. Сопротивление нагрузки R 4 = х ₃ = х _3,0 ± Δ х ₃, а шаг его варьирования Δ R 4 = Δ х ₃ = 20 Ом.

Вычислить величины относительных отклонений измеренных в системе MicroCAP 8 значений выходного параметра от расчётных (δ%) при использовании линейного полинома и от расчётных значений при использовании неполного полинома 2-го порядка (δ% _УТОЧ).

При выполнении задания руководствоваться методикой, подробно изложенной в пункте 3.3.4.

 

Таблица 3.9 – Значение сопротивления R 1 и средние значения варьируемых параметров х_{i ,0}

 

№ вари-анта	Т 0,^оС х 1,0	V 10,В х 2,0	R 40,Ом х 3,0	R 1,Ом	№ вари-анта	Т 0,^оС х 1,0	V 10,В х 2,0	R 40,Ом х 3,0	R 1,Ом

Содержание отчета

 

- цель работы;

- графики, таблицы и расчёты по методике, изложенной в пункте 3.3.4, отображающие результаты функциональных испытаний математической модели усилительного каскада в системе MicroCAP 8 с использованием метода планирования полного факторного эксперимента при изменении температуры, напряжения питания и сопротивления нагрузки. В результате расчётов должны быть решены все вопросы, изложенные в лабораторном задании;

- выводы по работе.

Перечень контрольных вопросов, которые могут быть заданы во время защиты отчёта по работе

 

1. Что такое полный факторный активный эксперимент?

2. Как составить матрицу планирования ПФЭ 2 ^п для п = 3?

3. Что даёт переход от аппроксимирующего полинома в натуральном масштабе к полиному с нормированными безразмерными переменными х ^*?

4. Как убедиться в том, что коэффициенты полинома значимы?

5. Как убедиться в адекватности аппроксимирующего полинома результатам опыта?

6. Как выглядит аппроксимирующий полином в натуральном масштабе?

7. Как выглядит аппроксимирующий полином с нормированными безразмерными переменными х ^*?

 

Сравнительные функциональные испытания стабильности выходного параметра математических моделей усилительных каскадов при изменении температуры эксплуатации в широком диапазоне

Цель работы

 

На примере входных каскадов усилителя обучить студентов проведению функциональных сравнительных испытаний стабильности выходного параметра математических моделей РЭС при изменении температуры эксплуатации в широком диапазоне в системе MicroCAP 8.

 

Краткие сведения о стабильности выходного параметра усилительных каскадов при изменении температуры эксплуатации в широком диапазоне

 

Экспериментальные и расчётные методы исследования РЭС при изменении температуры эксплуатации в широком диапазонезанимают много времени, в отличие от методов их исследованияв системе схемотехнического моделирования MicroCAP 8. Точность же полученных результатов во всех случаях приблизительно одинакова. Это связано с тем, что характеристики транзисторов одной и той же марки имеют довольно большой разброс. По этой причине, при прочих равных условиях,исследованиянесложных радиоэлектронных узлов в системе MicroCAP 8 дают значительный выигрыш во времени и в средствах по сравнению с экспериментальными и расчётными исследованиями.

Анализ стабильности усилительных каскадов при изменении температуры эксплуатации в широком диапазоне методически удобно проводить, рассматривая эти каскады как непрерывные системы автоматического регулирования (САР), если считать, что значения выходной величины этих каскадов (выходного напряжения) прямо пропорциональны величине входного сигнала. При учёте нелинейности управления усилительные каскады следует отнести к нелинейным системам автоматического управления (САУ). Зависимость выходного напряжения усилительных каскадов на транзисторах от возмущающего воздействия температуры эксплуатации является нелинейной. Использование нелинейных законов управления позволяет значительно увеличить точность процесса управления. Из-за отсутствия общей теории расчёта нелинейных САУ проще, быстрее и дешевле провести их испытания на математических моделях в системе MicroCAP 8.

Системы автоматического управления режимом работы входного усилительного каскада усилителя низкой частот (УНЧ) бывают разомкнутыми и замкнутыми.

В разомкнутой САУ вход и выход каскада не связаны между собой. В замкнутой САУ выходной сигнал, преобразованный цепью обратной связи (как правило, отрицательной) поступает на вход усилительного каскада.

По принципу построения различают САУ:

- с управлением по задающему воздействию (рисунки 3.31, а и 3.33, а);

- с управлением по возмущающему воздействию;

- с комбинированным управлением по задающему и по возмущающему воздействиям (рисунки 3.32, а и 3.33, б).

 

а – схема каскада с общим эмиттером;

б – вольт-амперная характеристика (ВАХ) биполярного транзистора

(УУ – управляющее устройство; ОУ- объект управления)

Рисунок 3.31 – Разомкнутая САУ с управлением

по задающему воздействию [10]

В УНЧ следует разделять задающее воздействие по постоянному току – постоянное смещение на базе транзистора, снимаемое с делителя напряжения на резисторах, и задающее воздействие по переменному току – переменное напряжение на входе усилителя. Принято называть УНЧ двухмерными САУ, так как их выходной параметр характеризуется двумя значениями (величиной напряжения и величиной частоты). В усилительных каскадах усилителей постоянного тока (УПТ) имеется только задающее воздействие по постоянному току. УПТ являются одномерными САУ.

а – схема каскада с общим эмиттером; б – ВАХ диода;

в – ВАХ биполярного транзистора

Рисунок 3.32 – Разомкнутая САУ с комбинированным управлением

по задающему и по возмущающему воздействиям [10]

 

а – с управлением по задающему воздействию; б – с комбинированным управлением по задающему и по возмущающему воздействиям;

в – ВАХ биполярного транзистора

Рисунок 3.33 – Замкнутые САУ [10]

 

Разомкнутые САУ с управлением по задающему воздействию наиболее просты, но имеют низкую температурную стабильность. Достоинство разомкнутой системы с комбинированным управлением – высокое качество регулирования при учете всех возмущающих воздействий; недостаток – необходимость учета большого количества зависимостей возмущающих воздействий. Замкнутая система с управлением по задающему воздействию работает по отклонению, и регулируемая величина тока коллектора имеет какую-то ошибку. Для повышения точности работы замкнутой системы вводят комбинированное управление по задающему и возмущающему воздействиям. Достоинство замкнутой системы регулирования – универсальность; недостатки при грамотном построении замкнутой системы отсутствуют [10].

Поскольку элементы за счет герметизации защищены от воздействия атмосферного давления, от загрязнений и от повышенной влажности воздуха, а также, частично, от радиации, то основным возмущающим воздействием на УНЧ являются температура окружающей среды. Обычно учитываютвоздействие температуры на характеристики полупроводниковых приборов (транзисторов и диодов), а более слабым воздействием температуры на характеристики остальных элементов пренебрегают.

 

Пример проведения сравнительных функциональных испытаний стабильности выходного параметра

 

1. Подготовим математическую модель схемы с общим эмиттером входного усилительного каскада с разомкнутой САУ и с управлением по задающему воздействию. Изображение математической модели этой схемы, представленной на рисунке 3.31, а, в системе MicroCAP 8 приведено на рисунке 3.34.

Рисунок 3.34 – Схема с общим эмиттером усилительного каскада

с разомкнутой САУ и с управлением по задающему воздействию

 

Примечание. На рисунках 3.34, 3.36, 3.38, 3.40, 3.42, 3.44 значения напряжений в узлах схемы даны для температуры окружающей среды +60^оС. Значения напряжений на схеме заключены в овальные рамки и приведены в формате вида X: Y, где X – порядковый номер узла; Y – значение напряжения. Буква m обозначает милливольты.

 

2. В системе MicroCAP 8 получим эпюры напряжений в узлах этой схемы (с помощью команды Анализ / Переходные процессы / Запуск) для значений температуры окружающей среды -40^оС и +60^оС (рисунок 3.35). Более подробно работа с диалоговым окном задания параметров моделирования во временной области описана в пункте 3.3.4.

 

V (3) = 648.2 мВ и V (1) = 17.29 В для температуры окружающей среды -40^оС;

V (3) = 516.2 мВ и V (1) = 11.56 В для температуры окружающей среды +60^оС

Рисунок 3.35 – Эпюры напряжений в узлах схемы,