Вроде все изъезжено вдоль и поперек, но есть нюансы из-за которых давным-давно я закусился с погромистами и выяснилось, что не правы были все))) и именно тогда я познакомился с Симоной.
У ПЛК, который мы разрабатывали, было 4 аналоговых выхода, напряжение на которых формировалось с помощью ШИМ, далее шел RC фильтр, после которого сигнал (отфильтрованная постоянная составляющая) подавался на ОУ и далее на выход (0-10В).
(Далее буду все показывать и рассказывать на основе расчетов симулятора SimOne, далее, что бы не прыгать по раскладке, буду писать Симона). Сделали вот так:
спад со скоростью -20Дб/дек
Скажу честно, описываемые события были лет 7 назад и не помню точно ход событий, то ли решили частоту понизить, то ли заказчику была недостаточна скорость установки, то ли недовольны были уровнем пульсаций напряжения на выходе, короче понадобилось введение более крутого (по спаду) фильтра. Ну что ж, сказано сделано, ожидаем вот это:
Дорисовываем следующую RC цепь:
Но в итоге заказчик стал выражать недовольство: уставка в какой то момент недотягивает и там какой то рычаг не вовремя приходил в какую то точку, а "конфета" уже начиналась заворачиваться))), при этом местный инженер говорил, что поправочный коэффициент вводить нельзя, т.к. если скорость работы линии соберутся менять, то и этот коэффициент тоже должен меняться, а в масштабах линии это катастрофа.
Стали разбираться, на что только не думали, даже уже гавкать начали друг на друга. Вот тут то симулятор глаза и раскрыл, когда уже практически все перебрали...
Оказывается АЧХ оказалась вот такой (красная линия):
Вроде мелочь, но за нее зацепились. А причина в том, что вторая цепь недопустимо нагружает первую и поэтому в точке перегиба получается «недосдача». В медленных процессах это никак и нигде не проявлялось, а первое же применение в динамичной системе, да еще и с ОС по перемещению, это ударило молотком по голове.
Решение нашлось быстро, При фиксированном ТАУ (ТАУ=RC), соотношение R3/R6 сделали равным 100, т.е. вторая цепь стала меньше нагружать первую в 100 раз:
И АЧХ стала как изначально мы и ожидали (зеленая линия на предыдущем рисунке)
Была мысль R6 дотащить до 1М, но остановились из-за риска утечек по грязи, которая обильно выпадала везде на объекте заказчика... (Про лак даже не говорите) и так были все на взводе).
В итоге все выдохнули, когда инженер заказчика позвонил и воскликнул!:
«Все работает как в аптеке!»
Цена вопроса: 2 номинала конденсатора и резистора на 4 каналах ПЛК.
Вот так, когда ситуация держит за нескромное место, она заставила изучить симулятор Симона и впоследствии Симона стала основным моим инструментом и верным другом в разработке всего и вся...
Комментарии (26)
igord1960
30.09.2023 16:26А этот симулятор SimOne только рассчитывает, или еще и моделирует?
CoolerLab1 Автор
30.09.2023 16:26-1Не очень понятен вопрос. Мне лично (в других каналах) уже много всяких вопросов по Симоне успели) позадавать, и все спрашивают, как я все настраивал.
Поэтому следующую публикацию я сделаю все про те же RC цепи, а потом все сложнее и сложнее, где буду показывать как производить настройки расчета, всякие хитрости работы в симуляторе, поэтому я думаю когда вы увидите как это работает под капотом, вы ответите на свой вопрос сами. И мои публикации будут больше не за электронику, а за сам симулятор - как в нем работать.
А сейчас отвечу, что рисуется схема и с помощью Симоны можно посмотреть:
1. АЧХ,ФЧХ
2. ВАХ (вольт-амперные характеристики), да и вообще любые характеристики в режиме постоянного тока, где исключаются влияния реактивных компонентов (С и L)
3. Подать сложный сигнал (во времени) на вход схемы и посмотреть на виртуальном осциллографе сигналы в разных точкахigord1960
30.09.2023 16:26Именно Ваш третий пункт я и имел в виду. Спасибо!
Tiriet
30.09.2023 16:26вообще, с точки зрения реализации- расчет сложного сигнала по времени проще сделать, чем расчет АЧХ и ФЧХ. для сложного сигнала нам нужна топология схемы, и простейший численный метод интегрирования ОДУ- типа конечных разностей или Рунге-Кутты 4-го порядка. реализация этого функционала относительно простая- все расчеты идут в вещественных числах, на связность схемы и ее свойства можно вообще не обращать внимания, оно все равно будет считать. А чтоб расчитать АЧХ- это уже нужно для нашей схемы нарисовать систему уравнений в комплексных амплитудах и с комплексными же сопротивлениями элементов, если где-то что-то нелинейное- то линеаризовать (предварительно найдя постоянные составляющие токов и напряжений), потому эту получившуюся систему уравнений решить (а она комплексная, и не факт, что хорошо сходится), и из полученного решения уже вытащить АЧХ и ФЧХ, да при этом не прозевать полюса, в которых резонансы всякие случаются- а это еще отдельная задача по анализу матриц и их свойств. Да чтоб эту систему решить- нужно еще убедиться, что у Вас граф цепи связный, что в нем нет висящих хвостов, что матрица хорошо обусловлена. В общем, если пакет умеет АЧХ, то очень странно для него не иметь расчет нестационарных процессов.
Gudd-Head
30.09.2023 16:26+6Ну надо же!
Входное сопротивление следующего каскада оказывает влияние на АЧХ фильтра с конечным выходным сопротивлением!
Кто бы мог подумать...
Lninio
30.09.2023 16:26Пробовал этот симулятор ещё в 2013м году (примерно). При этом ранее был опыт использования PSPICE, есть с чем сравнивать. Среди всех возможностей Simone я бы выделил наличие оптимизатора, позволяющий автоматом подгонять те самые пресловутые "мелкие параметры", и анализ устойчивости, дающий простой ответ "да" или "нет". Не такая частая штука в симуляторах.
Автор, пиши ещё! Почитаем. :)CoolerLab1 Автор
30.09.2023 16:26С 2013 до 2019 Симона сильно изменилась в лучшую сторону. С 2019 ее стали интегрировать в Дельта Дизайн, поэтому как отдельный продукт Симона теперь не развивается, что конечно же печалит, но даже в том виде в котором она "замерзла" это классный инструмент.
Ну что-нибудь обязательно накарябаю.
firehacker
30.09.2023 16:26Hidden text
Режим токсичности разблокирован.
Живут же люди...
С такими глубокими познаниями их зовут в пром. автоматизацию работать.
А тут сидишь со своим «синдромом самозванца» и не лезешь никуда. Мало ли.
Интересно, какой производственный кейс заставит автора открыть для себя буыерные ОУ, существование не только амплитудных, но и фазовых частотозависимых характеристик, преобразования Лапласа и вот это вот все.
Hidden text
Режим токсичности заблокирован.
CoolerLab1 Автор
30.09.2023 16:26-1Ваш коммент звучит примерно так же как: "Не читал, но осуждаю", только немного в измененной форме: "Не знаю подробности ситуации, поэтому все вы вокруг дураки". Ну почему некоторые личности смотрят вокруг цели рассказа, а не на тонкость которая мне показалась неожиданной, практически на ровном месте споткнулись...
Не зная конкретики, ворчун стал мазать не пойми какими красками...
Меня, как схемаря, вообще случайно, пригласили разобраться в ситуации, и поставили перед фактом: печатная плата была разведена давно, устройство серийное было на какой то меге, старое. Я и пишу подробности, как пришли к такому решению - не помню, обрисовали только проблему, может схемарь, который в нулевых разводил все это, может его уже в живых то нет.
Общался я, точнее спорил, только с программерами. Ситуация была нервная и срочная, никто в чужой! код лезть не хотел и уж тем более менять схему и разводку...
Нужно было решить проблему прямо здесь и сейчас, без усложнения, с чем я и справился.
Что еще вы в меня кинете? Вам делать больше нечего?Tiriet
30.09.2023 16:26Ресурс типа технический (вопрос дискуссионный, но пока будем придерживаться этой фантазии). На этом техническом ресурсе Вы выкладываете статью, которая выглядит так: мы взяли, и положили все что можно на Теор.основы электрических цепей, и без расчетов ничего не понимая в процессе слабали простейший фильтр наобум, почему-то решив, что он будет выдавать нам нужный результат и обеспечит работу всей схемы. А вся схема не заработала, и мы героически в условиях аврала, горящих сроков и неприятных вопросов со стороны заказчика с использованием CAE-системы нашли удивительный факт- если фильтр слабать наобум, то он получается ни-бум-бум. Статья вызывает яркие эмоции и двоякие впечатления. Смотрите, дети, как делать не надо, и смотрите дети, как можно исправить то, что сделано так, как не надо делать, тем способом, которым тоже не надо делать, но он все-таки работает и поэтому так делать иногда можно, когда вообще все плохо и нужно срочно-срочно, но при этом ничего не понятно. Что бы в Вас еще кинуть?
P.S. статьи совсем не очевидно, что это кто-то до Вас лабал фильтр, а Вы потом за ними разгребали последствия. Выглядит это все как именно Ваша собственная активность от начала и до конца. Возможно, за это и накидывают. за формирование неправильного восприятия.
firehacker
30.09.2023 16:26а не на тонкость которая мне показалась неожиданной, практически на ровном месте споткнулись...
Потому что она только вам кажется неожиданной, а другим она кажется сверх-очевидной. И других как раз и удивляет, почему для вас это вдруг оказалось неочевидной тонкостью.
По-моему эта тонкость может оказаться неожиданной только когда ты впервые в жизни делаешь аналоговые фильтры на RC-цепочках и каскадируешь RC-цепочки с одинаковыми импедансами. Уже во второй раз этот подвох держишь на уме.
Вывод: вы на том конфетном производстве первый раз столкнулись с аналоговым ФНЧ(?).
поставили перед фактом: печатная плата была разведена давно, устройство серийное было на какой то меге, старое.
Значит изложение истории в статье в корне кривое. Сейчас оно воспринимается как «я случайно запроектировал неправильный пассивный фильтр, и только чудом с помощью симулятора выявил свой просчет», а не «какой-то дурак до меня спроектировал неправильный фильтр, а меня позвали разобраться».
Да и то непонятно, если вы искали косяки в чужом решении, почему проблема не бросилась в глаза без симулятора.
И, кстати, вам ещё повезло.
Вокруг каскадирования есть и другие проблемы, которые не так успешно выявляются симулятором.
Вот нужно некий слабый сигнал усилить в 8000 раз и отфильтровать. И вы берёте ОУ, у которого в целевом диапазоне частот гейн до 10 миллионов. В теории звучит прекрасно, а на практике выйдет фейл. И симуляция не покажет, почему, если только в симулятор не заложить наличие у реального ОУ напряжения смещения, которое тоже будет умножено в 8000 раз. И на практике нужно делать каскад из трёх ОУ, усиливающих каждый всего в 20 раз, с отрезанием постоянной составляющей на каждой ступени.
Такая же ситуация с SNR при каскадировании. И симулятор не поможет, если изначально не знать о подводном камне. С RC-цепочками просто повезло, что это настолько банальный случай, что он хочешь-не-хочешь, а выявляется.
alcotel
30.09.2023 16:26А вы не рассматривали другие способы решения задачи? Из аппаратных: перенести, например, часть формирателя АЧХ в обвязку выходного ОУ. ОУ - штука мощная, позволяет делать то, что не достигнуть чисто пассивными цепями.
Из программных: внести предыскажения АЧХ - подъём на частоте 1 кГц, например. Или увеличить частоту ШИМ, и тогда может, вообще в аппаратной части не нужно ничего менять. Если бы у меня в производстве уже висело 100 плат по 4 канала, я бы, наверное, прежде всего о софтовых путях решения задумался.CoolerLab1 Автор
30.09.2023 16:26-1Еще один советчик... Почитайте предыдущий коммент firehackerу.
Там найдете для себя ответ на свой вопрос.
Tiriet
30.09.2023 16:26простой расчет на пальцах: на частоте среза сопротивление исходного фильтра было порядка 10k*sqrt(2)- 15кОм. Судя по надписям на схеме (Rin_OU) и тексту- на выход фильтра подключен операционный усилитель, понятно, что у него там какая-то обвязка, но входное сопротивление этого всего хозяйства вероятно где-то порядка 100кОм (ну оно же работало как-то, значит, не сильно он перегружал выход исходного фильтра). Когда Вы заменили свой фильтр на двухкаскадный- входное сопротивление просело не сильно, процентов на 15, то есть, стало где-то в районе 10*sqrt(1.5) (это я в уме считаю, грубо). то есть, все равно осталось в районе 13кОм. Но вот когда Вы "окончательно" исправили фильтр- его входное сопротивление на частоте среза стало в районе 1.5кОм. То есть, ток выхода ПЛК при этом оказывается порядка единиц, максимум десятков мА, и это вполне себе рабочий диапазон. И выходной ток Вашего фильтра оказывается порядка сотых долей мА, что тоже вполне себе достаточно для раскачки ОУ с входным сопротивлением в 100кОм. Но вот если бы Вы взяли резисторы не 1к и 100к, а 0.1к и 10к (и соответсвующие кондеры)- то входное сопротивление фильтра стало бы уже 150Ом, и на таком сопротивлении уже появился бы риск перегрузить аналоговый выход.
И опять вопрос- Вы сделали выходное сопротивление фильтра на частоте среза 100к. А входное сопротивление ОУ какое? не перегружает ли он теперь второй каскад фильтра? и куда и насколько при этом уползает частота среза? С одной стороны, в статье Вы говорите, что заказчик "щаслив", но с другой стороны- это все выглядит как пример того, как не надо делать- нигде и никогда. нагрузочные характеристики? да мы плевали на них, расчет фильтра? да мы болт положили на него- был один каскад, аааа, впендюрим второй, авось пронесет. Основы электроники и электротехники- да кому это надо, это так скучно- у нас есть софт, он замоделирует. а если получится ерунда- то он еще и заоптимизирует по-быстрому. А по-хорошему- это у Вас не фильтр должен быть, это у Вас должен быть входной каскад ОУ, и настраивать параметры усилителя в целом. А то щас еще выяснится, что в ОС усилка тоже стоят кондеры (а еще лучше- катушка какая-нибудь), которые тоже "подправляют" ему АЧХ и все вместе это дает непредсказуемый результат.
CoolerLab1 Автор
30.09.2023 16:26-1Статья пятиминутка, легкая, про необычный случай, который был давно давно, но именно он помог, скорей заставил начать изучать симулятор, и в этом посыл для новичков - изучайте симуляторы, потому что они легко вскроют ваши недопонимания. Это плохо?
Вот вы потратили много время на ответ, зачем? Это что то изменит? Нет.
-
В ваших рассуждениях много ошибочного, хотя бы то что у примененного ОУ вх. сопротивление 1G, т.е. 1000 МОм, который включен в качестве неинвертирующего усилителя и никак ОС не влияет на вх. сопротивление. А Вы пишете 100кОм... рука-лицо...
Про частоты среза тоже ничего не понятно... Ведь на графиках видно, что частота среза около 1кГц...В итоге я старался пост сделать легким на 2 минутки, что бы можно было быстро прочитать. Да и статья родилась спонтанно, просто рассказал другу про этот древний случай и он предложил написать на хабре, а вы тут бурю в стакане развели.
Дальше буду писать для новичков КАК РАБОТАТЬ С СИМУЛЯТОРОМ. Не больше и не меньше. Будут вопросы по настройке симулятора - отвечу. Иное буду игнорировать.
И сразу предупреждаю: пишите теперь что хотите про RC фильтры))), я отвечать вам не буду только из-за одного - не будет никому пользы, но только лишь ругань и переливание из пустого в порожнее. Жалко время потраченное впустую... Всего хорошего.
Tiriet
30.09.2023 16:26+1статья-пятиминутка должна был сподвигнуть на изучение основ электротехники, а не симуляторы- в электротехнике как раз разбираются схемы активных фильтров на ОУ, типы и виды этих фильтров, их плюсы и минусы и как их делать. А то, что собирали Вы- это именно велосипедный активный фильтр на ОУ.
не много. я быстро печатаю.
схем включения ОУ чуть больше, чем одна, и в большинстве из них входное сопротивление определяется обвязкой, потому совершенно не очевидно, что в Вашем случае был именно неинвертирующий с прямой подачей сигнала на вход и с входным сопротивлением 1G. Ваших АЧХ- это судя по виду графиков- симуляции, которые как раз не учитывают входное сопротивление на тот момент неизвестной мне схемы включения ОУ. потому и спросил- какая АЧХ в реале-то получается? (кста- 1G- это сопротивление по постоянному сигналу, вероятно, а по переменке у него какое входное сопротивление? они, внезапно, разные, и переменное сопротивление порядка на два-три-четыре меньше!)
да тут не про RC-фильтры комменить надо, а вообще про подход в целом, особенно для новичков. Потому что и в статье, и в этом Вашем комментарии подход общий- тяп-ляп и в продакшен. А такое новичкам рассказывать нельзя. То-ли пульсации были высокие, то-ли частоту снизить, то ли скорость установки, но мы от фонаря решили менять фильтр на второй порядок, от фонаря выбрали параметры элементов, и запустили это так как получилось в работу, но заказчик стал возмущаться, что "рычаг не дотягивает", а мы грешили на что попало и даже начали ругаться, но симулятор нас всех спас. Такое впечатление, что только "местный инженер" свои суждения обосновывал логически (если коэффициент введем, то будет плохо там-то и там-то). Прям пособие как не надо делать, Вредные советы Г.Остера. Нельзя такие статьи на новичков ориентировать, грешно это...
CoolerLab1 Автор
30.09.2023 16:26-1Собака лает, караван идет. Продолжайте лаять... у вас хорошо получается. Жги.
maledog
30.09.2023 16:26Одним предложением. При расчете параметров электрических цепей следует брать во внимание импеданс нагрузки, иначе результат может отличаться от расчетного.
Нас учили, что ток через каскад(RC, LC, просто делитель, стабилитрон...) должен быть минимум в 10 раз выше чем через его нагрузку.
avost
Вы меня извините, но выводы у вас неправильные. Ситуация выявила глубокое непонимание основ проектирования РЭА и фильтров высоких порядков в частности. Номиналы элементов в фильтрах высоких порядков связаны нетривиальными зависимостями и требуют как понимания предусловий, так и тщательного расчёта по выбранной на предыдущем этапе методике. То, что у вас фильтр сейчас уложился в условия эксплуатации - это случайность. Пои изменении опять вылезет косяк и вы опять не будете понимать где его искать. Вашей симоной можно проверять гипотезы и подгонять мелкие параметры. Но в основе должно лежать понимание. Так что совет, которого вы не просили :) но я дам - освежите основы электроники и проектирования схем.
nUser123
Позволю себе уточнить - следует освежить законы кирхгофа и каким образом комплексные числа помогают считать цепи с реактивными элементами
CoolerLab1 Автор
Милостивый государь, спешу припасть к вашей руке отражающей ваш богатый опыт и высокие знания. Не откажите мне сирому в консультации по вопросу расчета двойной обратной связи в импульсном источнике напряжения, где за основную медленную ОС берется ОС по напряжению и вторую - быструю ОС в виде внутренней используется ОС по току. Надеюсь ваш ответ будет аналитически точным и верным, что позволит мне в своих разработках устранить вылезания косяков, не надо будет подгонять мелкие параметры и будет работать в любых условиях эксплуатации недетерминированного сброса и наброса нагрузки. Уверен, что ваши широчайшие познания охватывают и эту область, поэтому прошу у ВАС именно этот совет. Я не достойный, пытался освежить знания в этой области, но мне не хватает такого светлого ума как ваш. Еще раз, прошу, не откажите мне сирому, иначе будет впечатление, что за вашими светлейшими советами и критикой абсолютная пустота.
Tiriet
при Вашем уровне сарказма совершенно непонятно, на каких основаниях Вы ожидаете "это", и в статье было бы весьма желательно их осветить, потому как реально- ну у Вас фильтр второго порядка, из четырех элементов, как из него можно чего-то неправильного ожидать, да еще и такого, чтоб Симона Вас поправила- ну решительно непонятно. ладно бы там нелинейный элемент какой хитрый был, или сильно разветвленная цепь с большим количеством осей, но тут-то настолько промахнуться с АЧХ- странноватенько.
SuperTEHb
Имеете в виду токовый режим управления силовым контуром?