Структурен и поведенчески модел

В SPICE (OrCAD/PSpice, тема 26) всеки елемент има модел. Сензорът може да се моделира по два начина:

• структурно – всеки транзистор и резистор вътре с физичния си модел. Точно, но бавно и трудно, а често производителят не дава схемата;
• поведенчески (ABM, Analog Behavioral Modeling) – само предавателната функция от каталога, сглобена от готови блокове. Бързо и удобно, и става за неелектрически величини. Минусът е, че вторичните ефекти не влизат, ако не ги сложиш сам.

Блоковете на PSpice са:

Група	Блокове	За какво
Основни	CONST, SUM, MULT, GAIN	константа, сбор, произведение, умножение по число
Ограничители	GLIMIT	изходът не може да излезе извън захранването
Таблици	GTABLE	зависимост по точки, напр. ток на консумация I_S(V_S)
Математика	ABS, SIN, LOG…	функции
С изрази	ABM2	„V(%IN1) + V(%IN2)*0.0062“

В SPICE това са управляеми източници: E (напрежение) и G (ток). Неелектрическата величина влиза като източник на напрежение с уговорка (50 V ≙ 50 %), а характеристиката се снема с DC sweep: източникът се „мете“ през целия обхват.

HIH-3610 от блокчета

Каталогът на сензора за влажност HIH-3610 казва VOUT = VS·(0,16 + 0,0062·RH). Изходът е ратиометричен (тема 2). Сглобяваме го: GAIN ×0,0062, CONST 0,16, SUM, MULT по VS, накрая GLIMIT. Влажността е ↔ дръпни50 %, захранването ↔ дръпни5 V, температурата ↔ дръпни25 °C. Моделът дава VOUT = 2,35 V.

ABM модел на HIH-3610

входRH50

входVS5

GAIN ×1RHs50

GAIN ×0,0062slope0,31

CONST 0,16offset0,16

SUMratio0,47

MULTraw2,35

GLIMIT 0…VSVOUT2,35

RH

50 %

VS

5 V

T

25 °C

Фигура 1.

Всяка кутийка е блок, а числото долу е стойността на изхода му. Сигналът тече отляво надясно. Моделът без поправката не знае нищо за температурата: при 60 °C показва същото като при 25 °C. Включи температурната поправка от каталога: добавят се пет блока (T, GAIN, CONST, SUM, MULT) и при жега изходът пада. Точно това значи „вторичните ефекти не влизат, ако не ги сложиш“.

DC sweep: характеристиката на трите сензора

В упражнението се моделират три сензора, всеки по своята каталожна формула. После входният източник се мете с DC sweep. Пример от каталога на MPX4100 при VS = 5,1 V: 20 kPa → 0,305 V, 50 kPa → 1,93 V, 105 kPa → 4,9 V.

DC sweep

Предавателната характеристика

VOUT при VS = 5,1 V

Фигура 2.

Трите са прави – каталогът ги описва линейни. При MPX4100 се вижда и GLIMIT: под ~14 kPa формулата би дала отрицателно напрежение, но изходът не може да падне под 0 V. Над обхвата пък не може да надхвърли захранването. Без ограничителя моделът би дал напрежения, които истинският сензор никога не дава.

Самопроверка

1. Каква е разликата между структурен и поведенчески модел?

Структурният моделира всеки вътрешен елемент физично (точно, бавно, трудно); поведенческият – само предавателната функция от каталога с готови блокове (бързо, но без вторичните ефекти).

2. MPX4100, VS = 5,1 V, P = 50 kPa. Колко е изходът?

5,1·(0,01059·50 − 0,152) = 5,1·0,3775 ≈ 1,93 V.

3. AD22103 при 50 °C и VS = 3,3 V?

(3,3/3,3)·(0,25 + 0,028·50) = 1,65 V.

4. Как се подава влажността на модела в PSpice?

Като източник на напрежение с уговорка (напр. 50 V ≙ 50 %), който се мете с DC sweep.

5. За какво служи GLIMIT?

Ограничава изхода в обхвата на захранването (0…VS) – формулата сама би дала невъзможни стойности извън обхвата.