Диссертация (Разработка моделей и алгоритмов синтеза и анализа проектных решений датчика давления летательного аппарата), страница 11

В качестве аналога такого измерительногомодуля выбран АЦП PS021 фирмы ACAM (Германия) на основе TDC (time-todigital converter - преобразователь времени в цифровой код) технологии [49].Принципработы,техническиехарактеристикиифункциональнаясхемамикросхемы приведены в приложении В, рисунки В.1-В.3.При проектирование схемы включения первичного преобразователядавления необходимо получить значения номиналов элементов, длительностьодного цикла заряда и разряда емкостей С1 и С2, полное время измеренияемкостей С1 и С2 и другие статические и динамические характеристики.Необходимо разработать системную модель проектного решения в средеMATLAB, используя главное расширение Simulink.

Структурная схема моделипреобразователя электрических сигналов (АЦП) представлена на рисунке 3.16.80Рисунок 3.16 – Структурная схема системной модели преобразователяэлектрических сигналовВыходнойсигналдифференциально-емкостногопреобразователяпредставляет собой разность емкостей ∆С=f(∆P) =С2-С1. В зависимости от знака∆С одна из емкостей С1 или С2 увеличивается, а другая уменьшается на величинуравную ∆С/2. Разность емкостей ∆С задана блоком ∆C.

Емкость С1=Сном - ∆С/2, аС2=Сном + ∆С/2, где Сном – номинальная емкость, при ∆P = 0, Сном = 140 Пф [44].На следующем этапе необходимо рассчитать времена t1 и t2 одногоизмерения емкостей С1 и С2. Для этого необходимо найти время разряда и времязаряда емкостей С1 и С2. Время разряда t1разр емкости С1 рассчитывается поформуле1разр = − 1 ∙разр∙ ln (разр),(3.10)заргде Uразр – напряжение, до которого разряжается конденсатор, Uзар –напряжение, до которого был заряжен конденсатор, Rразр – резистор, черезкоторый разряжается конденсатор (на рисунке 3.13 - R2). Для расчета времениразряда емкости С1 используется подсистема t1разр (рисунок 3.17).а)б)Рисунок 3.17 – Подсистема вычисления времени разряда емкости С1 (а), еёсодержание (б)На рисунке 3.17 UT+ - верхний порог напряжения изменения состояниятриггера, UT- - нижний порог напряжения изменения состояния триггера, UT+,81UT- и R2 задаются как исходные данные в начале моделирования.

В результатемоделирования время разряда t1разр=4,427 мкс при R2=82 кОм. Напряжениеразряда U1разр рассчитывается по формуле1разр ( ) =зарразр ∙∙,(3.11)На рисунке 3.18 представлена подсистема отображения графика изменениянапряжения на емкости С1 во время разряда.а)б)Рисунок 3.18 – Подсистема отображения графика изменения напряженияна емкости С1 во время разряда (а), содержание подсистемы (б)На рисунке 3.19 представлен график изменения напряжения U1разр наемкости С1 во время разряда.Рисунок 3.19 – Изменение напряжения на емкости С1 во время разрядаДля расчета времени разряда емкости С2 и изменения напряженияиспользуются подсистемы tразр и U2разр аналогичные подистемам t1разр и U1разр. Врезультате моделирования время разряда t2разр=9,346 мкс.Время заряда t1зар емкости С1 рассчитывается по формулеt1зар С1  Rзар ln(1 U зарU пит)  С1  Rзар ln(1 U разрU пит) , (3.12)где Uзар – напряжение, до которого заряжается конденсатор, Uпит –напряжение питания схемы, Rзар – резистор, через который заряжается82конденсатор (R1 на рисунке В.1).

Для расчета времени заряда емкости С1используется подсистема t1зар (рисунок 3.20).а)б)Рисунок 3.20 – Подсистема вычисления времени заряда емкости С1 (а),содержание подсистемы (б)UT+, UT-, Uпит и R1 задаются как исходные данные в началемоделирования. В результате моделирования время заряда t1зар=4,334 нс приR1=100 Ом. Напряжение заряда U1зар рассчитывается по формуле1зар ( ) =пит∙ (1 −зар ∙),(3.13)На рисунке 3.21 представлена подсистема отображения графика изменениянапряжения на емкости С1 во время заряда.а)б)Рисунок 3.21 – Подсистема отображения графика изменения напряженияна емкости С1 во время заряда (а), содержание подсистемы (б)На рисунке 3.22 представлен график изменения напряжения U1зар наемкости С1 во время заряда.83Рисунок 3.22 – Изменение напряжения на емкости С1 во время зарядаДля расчета времени заряда емкости С2 и изменения напряженияиспользуются подсистемы t2зар и U2зар аналогичные подсистемам t1зар и U1зар.

Врезультате моделирования время заряда t2зар=9,149 нс.Далее определяем разность времени ∆t между измерениями емкостей С1 иС2 по формуле∆t = t2цикла - t1цикла,(3.14)где, t1цикла и t2цикла - времена измерения емкостей С1 и С2 определяемыевыражениямиt1цикла = 8·(t1зар+t1разр) и t2цикла = 8·(t2зар+t2разр).(3.15)Расчет ∆t в Simulink представлен на рисунке 3.23.Рисунок 3.23 – Расчет ∆t в SimulinkКонечным этапом моделирования является расчет выходного кода АЦПPS021 по давлению Pcode и по температуре Tcode.

Исходя из описания работы АЦПPS021 [49] можно сделать вывод, что если разность времён ∆t равна -40 мкс, товыходной код по давлению Pcode равен -25000.00. Если разность времён ∆t равна+40 мкс, то выходной код по давлению Pcode равен +25000.00. Зависимость Pcode от∆t описывается уравнением:84Pcode(∆t )=∆t∙625∙106(3.16)Выходной код по температуре рассчитывается следующим образом: есливыходное напряжение с температурного диода равно 0 В, то выходной код равен0.0000, если выходное напряжение с температурного диода равно напряжениюпитания АЦП PS021, то выходной код равен 4.0000.

Зависимость Tcode от Uописывается уравнением:Tcode(U)= 4∙U/Uпит,(3.17)где U - напряжение на температурном диоде, задается как исходныеданные.Длясинтезаианализадинамическиххарактеристикпервичногопреобразователя в модель необходимо добавить его передаточную функцию (2.2).На рисунке 3.24 представлена реакция преобразователя ΔС в цифровой код наединичный скачок давления до величины верхнего предела измерения 6кПа приэтом ΔС=max, а постоянная времени T = 0,1 c.Рисунок 3.24 – Реакция преобразователя ΔС в цифровой код наединичный скачок давления до величины верхнего предела измеренияРабочее окно разработанной модели преобразователя электрическихсигналов представлено на рисунке 3.25. Модель реализует этап структурнопараметрического синтеза и анализа статической характеристики выходногосигнала преобразователя электрических сигналов (давления и температуры) вцифровой код с учетом погрешностей и ВВФ.

Имеется возможность рассчитатьноминалы электронной схемы с возможными допусками, а также режимы еёработы. Модель позволяет выполнить синтез и анализ параметров передаточной85функции преобразователя электрических сигналов на соответствие критериямминимума ДПП и максимума ширины ППЧ.Рисунок 3.25 – Системная модель для синтеза и анализа статических идинамических характеристик преобразователя электрических сигналов3.3 Разработка расчетных моделей для синтеза и анализа параметровконструкции датчика давления с помощью интеграции ECAD и MCADсистемПри проектировании конструкции датчика давления осуществляетсяразработка конструкции корпуса и модуля первичного преобразователя датчикадавления, сквозное проектирование электронных модулей в ECAD и MCADсистемах и проведение поверочных расчетов.

Для выполнения перечисленныхдействий необходимо разработать модели для синтеза и анализа параметровконструкции датчика давления в САПР инженерного анализа.В работе в качестве ECAD системы использовалась САПР Mentor Graphics,в качества MCAD системы – SolidWorks. Процедура проектирования 3D - моделипечатной платы электронных модулей начинается с обмена данными междусистемами. Для обмена данными использовался модуль CircuitWorks, входящий всостав SolidWorks 2008 SP4.0. CircuitWorks в своей работе использует файлыформата intermediate data format (IDF) 2.0- 4.0.86Основным этапом разработки модели печатной платы является созданиебиблиотеки компонентов и осуществление связи между их двумернымиизображениями и 3D-моделями. В САПР Mentor Graphics с помощью модуляLibrary manager создается посадочное место компонента на печатной плате, далееразрабатываются 3D-модели элементов в MCAD системе..

Для проектированияпечатной платы в САПР Mentor Graphics имеется специализированный модульExpedition PCB [62]. Разработанная печатная плата процессорного модуляобработки информации датчика давления представлена на рисунке 3.26.Рисунок 3.26 – Печатная плата процессорного модуля обработкиинформации датчика давленияДля передачи данных о печатной плате в модуль CircuitWorks необходимовыполнить экспорт данных из Mentor Graphics с помощью рассмотренного IDFфайла.

Открытый IDF файл в CircuitWorks платы процессорного модуляобработки информации датчика давления представлен на рисунке 3.27.Рисунок 3.27 – IDF файл процессорного модуля обработки информациидатчика давления, открытый в CircuitWorksСледующим шагом необходимо указать всем компонентам их трехмерныемодели. Все необходимые операции проводятся в библиотеке компонентовCircuitWorks. В случае, если 3D - модели элементов отсутствуют, или необходимоупростить модель для проведения моделирования, то SolidWorks автоматически87построит 3D - модель по габаритным размерам элемента.

Модель для синтеза ианализаконструкциипечатнойплатыпроцессорногомодуляобработкиинформации датчика давления представлена на рисунках 3.28,2.29.Рисунок 3.28 – Модель процессорного модуля обработки информации савтоматически построенными элементами в SolidWorksа)б)Рисунок 3.29 – Верхняя сторона модели процессорного модуля обработкиинформации (а), нижняя сторона модели (б)Следуя описанной выше методике, разрабатываются модели остальныхэлектронных модулей датчика давления (рисунки 3.30 - 3.32).а)б)Рисунок 3.30 – Печатная плата модуля отображения и ввода информации (а),модель модуля отображения и ввода информации (б)88а)б)Рисунок 3.31 – Печатная плата модуля электромагнитной совместимости (а),модель модуля электромагнитной совместимости (б)б)а)Рисунок 3.32 – Печатная плата модуля обработки сигналов первичногопреобразователя (а) её модель модуля обработки сигналов первичного (б)Затем осуществляется сборка моделей корпуса датчика давления, модуляпервичного преобразователя давления и печатных плат.