Методические указания к циклу лабораторных работ по «Электронике» Томск 2008

федеральное агентстВО по ОБРАЗОВАНИю РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Лабораторные работы

по аналоговой

электронике

в программно-аппаратной

среде NI ELVIS

® ALL RIGHTS RESERVED

Э.И. Цимбалист, С.В. Силушкин

Введение в
NI
ELVIS

Методические указания

к циклу лабораторных работ

по «Электронике»

Томск 2008

УДК

Лабораторные работы по аналоговой электронике в программно-аппаратной среде NI ELVIS. Кн. 1.

Цимбалист Э.И., Силушкин С.В. Введение в NI ELVIS. Методические указания к циклу лабораторных работ по «Электронике». - Томск: Изд. ТПУ, 2008. – 44 с.

Печатается по постановлению Редакционно-издательского Совета Томского политехнического университета.

Темплан 2008

© Томский политехнический университет, 2008

Содержание

с.

1.
Общие сведения о лабораторном цикле
4

1.1.
Внеаудиторная подготовка к лабораторным работам
5

1.2
.
Выполнение лабораторного эксперимента
7

1.3
.
Оформление отчета
7

2.
Архитектура учебной лаборатории
NI
ELVIS
8

2.1
.
Что такое технология виртуальных
инструментов?
8

2.2
.
LabVIEW
9

2.3. Обзор
NI
ELVIS
9

3.

Аппаратные компоненты
NI
ELVIS
11

3.1. Настольная
рабочая станция
NI
ELVIS
11

3.2
.
Виртуальные измерительные приборы
12

3.2.1. Модуль запуска приборов
12

3.2.2. Генератор сигналов произвольной формы
13

3.2.3. . Анализатор амплитудно-частотных и фазочастотных
характеристик (АЧХ/ФЧХ)
13 3.2.4. Цифровой мультиметр
13

3.2.5. Анализатор спектра
14

3.2.6. Функциональный генератор
14

3.2.7. Анализатор импеданса
14

3.2.8. Осциллограф
14

3.2.9. Анализаторы вольтамперных характеристик

двух- и четырехполюсников
15

3.2.10. Регулируемые источники питания
15

3.3. Органы управления рабочей станции
15

3.4. Лабораторная плата аналоговой электроники
18

4.
Краткое руководство по эксплуатации виртуальными измерительными приборами
NI
ELVIS
23

4.1. Начало работы
23

4.2 Цифровой мультиметр (
Digital
Multimeter
-
DMM
)
24

4.3 Осциллограф (SCOPE)
31

4.4 Функциональный генератор (FGEN)
35

4.5 Регулируемые источники питания (V.P.S.)
37

4.6 Анализатор амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик - АЧХ/ФЧХ (Bode Analyzer)
38

4.7
Анализатор
спектра
(Dynamic Signal Analyzer – DSA)
40

4.8
Анализатор
вольтамперных
характеристик
двухполюсников
(Two-wire Current-Voltage Analyzers)
41

4.9
Анализатор
вольтамперных
характеристик
четырехполюсников
(Three-wire Current-Voltage Analyzers)
42

4.10 Сохранение результатов работы
43

5.
Список литературных источников
44

1. Общие сведения о лабораторном цикле

Образовательные профессиональные программы подготовки выпускников по направлениям и специальностям, в учебных планах которых присутствует дисциплина «Электроника» в разных модификациях, резко снизили аудиторные часы лабораторного цикла.

С другой стороны переход учебного процесса на использование кредитных и балльно-рейтинговых оценок освоения дисциплин образовательных программ*
должен обеспечить каждому студенту (подгруппе студентов) определенную свободу в выборе модулей и отдельных работ лабораторного цикла.

В этой связи необходимо предусмотреть ряд мероприятий, ведущих к активизации познавательной деятельности студентов, формированию их положительной мотивации на самообразование.

Предлагаемые вниманию студентов методические указания к лабораторному циклу направлены на облегчение их подготовки к работам, в то же время оставляя им элементы творчества по различным этапам постановки, проведения и обработки результатов эксперимента.

Целью лабораторного цикла является:

- экспериментальное освоение теоретических положений изучаемой дисциплины;

- получение практических навыков постановки и проведения эксперимента над различными объектами исследования;

- овладение навыками работы со средствами наблюдения, измерения и контроля, используемыми в изучаемой области знаний;

Задачами лабораторного цикла являются:

- овладение методикой и техникой экспериментального исследования элементной базы и схем аналоговой и цифровой электроники;формирование навыков обработки результатов проведенных исследований и представление их в виде таблиц, графиков и/или синхронизированных временных диаграмм сигналов.

Результативность лабораторного цикла предполагается повысить введением следующих мероприятий:

-использованием современных технологий проведения работ лабораторного цикла, в частности, технологии виртуальных инструментов
в среде
NI
ELVIS
,
которая объединяет технические средства измерения и управления, прикладное программное обеспечение и стандартные промышленные компьютерные технологии;

- возможностью выбора проблемно-ориентированной методики подготовки и проведения эксперимента вместо классической технологии подготовки к лабораторной работе по описанию к ней;

- организацией входного и текущего контролей работ.

Цикл лабораторных работ разделен на две части:

- по аналоговой электронике;

- по цифровой электронике.

Технология выполнения каждой ЛР содержит три этапа:

- внеаудиторная подготовка к лабораторной работе;

- аудиторное лабораторное занятие, включающее в себя оценку подготовки студента к ЛР, лабораторный эксперимент над заданным объектом исследования и защиту отчета по ранее проделанной ЛР;

- внеаудиторное оформление отчета по выполненной ЛР.

1.1. Внеаудиторная подготовка к лабораторным работам

Внеаудиторная работа студента предполагает:

-изучение (повторение) теоретических положений изучаемой дисциплины или предшествующих дисциплин, на которые опирается планирование, постановка, проведение эксперимента и обработка его результатов;

- уяснение целей и задач лабораторной работы;

-понимание работы принципиальных схем эксперимента, методик получения требуемых характеристик и параметров;

-разработку схем и методик эксперимента по поставленным задачам, если Вы работаете в активном режиме лабораторного эксперимента;

-ответы на контрольные вопросы, поставленные в описании к лабораторной работе;

Внеаудиторная подготовка студента к лабораторной работе контролируется вопросами текущего контроля и учитывается в баллах рейтинга.

Для реализации элементов сквозного обучения внеаудиторная подготовка к первым лабораторным работам дополнительно может включать изучение и повторение следующих разделов, использованных в предыдущих лабораторных циклах:

- расчет погрешности измерений[1]
.

-
использование метода наименьших квадратов для обработки результатов измерений (в задачах аппроксимации эмпирических зависимостей)[2]
.

Внеаудиторная подготовка студента к лабораторной работе считается законченной, когда у студента сформируется ясное понимание:

- технологии процесса эксперимента (что и как делать?);

- ожидаемых результатов по каждому этапу лабораторной работы (что должно получиться?).

Это произойдет тогда, когда студент владеет определенным набором компетенций в виде требуемых для работы знаний, умений и пониманий.

В качестве примера их перечень при выполнении ряда процессов лабораторных работ по аналоговой электронике представлен в таблице 1.

Таблица 1. Примерный перечень компетенций,

востребованных при подготовке к лабораторнымработам

Процесс	Используемые компетенции
Снятие ВАХ двухполюсника (четырехполюсника)	1. Знание способов регулирования токов напряжений в исследуемых цепях. 2. Правильный выбор и расстановка средств измерения токов и напряжений (в среде NI ELVIS-отсутствует, так как выполняется автоматически). 3. Умение правильно собрать схему эксперимента. 4. Грамотное считывание показаний СИ и формирование массивов данных исследования ( в среде NI ELVIS - отсутствует, так как выполняется автоматически). 5. Проведение аналитической или графической аппроксимации закономерностей, полученных при лабораторных исследованиях. 6. Знание методов расчета погрешностей.
Снятие АЧХ исследуемой схемы	1.Знание определения характеристик и выбор способа ее снятия. 2.Умение грамотно собрать схему эксперимента. 3.Умение по результатам наблюдения выходного напряжения ввести исследуемую схему в линеаризованный режим работы. 4.Грамотная реализация алгоритма использования АЧХ по выбранному методу, умение предъявить результаты эксперимента в виде таблиц, графиков и т.д. ( в среде NI ELVIS - отсутствует, так как выполняется автоматически).

Обратим внимание, что ряд указанных выше компетенций к циклу лабораторных работ по электронике должны быть наработаны на предшествующих лабораторных работах по физике и электротехнике.

1.2. Выполнение лабораторного эксперимента

Перед выполнением эксперимента в среде NI
ELVIS
следует вспомнить правила эксплуатации используемых средств наблюдения и измерения и источников сигналов. Затем можно приступить к измерениям по плану, изложенному или в методических указаниях, или наработанному самостоятельно в ходе внеаудиторной предварительной подготовки к лабораторной работе, если Вы избрали активный и творческий характер деятельности

При наблюдениях/измерениях выполняемых с помощью осциллографа необходимо предварительно установить подходящий размер изображения. Если исследователя интересует процесс с сохранением информации о постоянной (средней) составляющей сигналов, то целесообразно, где это возможно, использовать открытый вход осциллографа. В противном случае используется закрытый вход осциллографа, когда в установившемся режиме постоянная составляющая задерживается его разделительной емкостью

При использовании цифрового мультиметра необходимо периодически осуществлять установку нуля, что гарантирует правильность его показаний.

Вся необходимая для оформления отчета информация заносится в лабораторный журнал («флешку»), который(ая) является единственным документом, удостоверяющим выполнение лабораторной работы

1.3. Оформление отчета

Отчет о проделанной работе оформляется к следующему лабораторному занятию и выполняется один на подгруппу до тех пор, пока в ходе защиты отчета не выясняется некомпетентность какого-нибудь из соавторов. В этом случае такой студент в дальнейшем выполняет свой отчет, а не копию отчета остальных членов подгруппы.

Отчет выполняется по правилам оформления студентами их работ в соответствии с СТП ТПУ 2.5.01-99 «Работы выпускные квалификационные, проекты и работы курсовые. Общие требования и правила оформления». Целесообразно также ознакомиться с СТП ТПУ 2.3.05-01 СМК ТПУ «Система образовательных стандартов. Занятия лабораторные. Общие требования к организации и проведению». Титульный лист отчета выполняется в соответствии с приложением А указанного стандарта.

В начале отчета формируется цель работы.

В дальнейшем по каждому этапу эксперимента обязательно изображается его схема и соответствующие таблицы, в которых приводятся результаты измерений. По табличным данным в выбранных масштабах строятся характеристики или семейства характеристик исследуемых объектов или процессов. На каждом графике должно быть указано, к какой части эксперимента он относится, и что на графике изображено.

При необходимости приводятся все расчетные формулы, как в символьном виде, так и с подставленными числами. Если это задано, то приводится вывод формул для расчета погрешностей и сам расчет. В последнем случае полезно использовать многократный эксперимент.

Отчет заканчивается выводами о проделанной работе. Выводы – это не содержание проделанной работы, это кратко сформулированные выявленные закономерности по процессам или объектам проделанной работы.

Все разделы отчета должны быть структурированы, содержать четко выверенную и правдивую информацию, написаны грамотно с соблюдением всех правил орфографии и пунктуации на основе использования общих требований и правил оформления СТП ТПУ 2.5.01-99.

Отчет, не удовлетворяющий указанным требованиям или скопированный с другого отчета, или не защищенный во время, не принимается.

2. Архитектура учебной лаборатории
NI
ELVIS

Настоящее руководство содержит информацию, необходимую для понимания архитектуры учебной лаборатории NI ELVIS (National Instruments Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite), в состав которой входит комплект виртуальных измерительных приборов, а также информацию, необходимую для работы с этими приборами. Кроме того, рассматривается концепция виртуальных измерительных приборов и компоненты систем сбора данных (DAQ) компании National Instruments, специально разработанная для учебных лабораторий.

2.1. Что такое технология виртуальных
инструментов?

Технология виртуальных инструментов
объединяет технические средства измерения и управления, прикладное программное обеспечение и стандартные промышленные компьютерные технологии с целью создания измерительных, тестовых, управляющих и других технических систем, функциональность которых определяется пользователем.

Технология виртуальных инструментов представляет собой идеальную платформу, как для разработки учебных курсов, так и для проведения научных исследований. Выполняя различные эксперименты в лабораторных практикумах, студенты комбинируют операции измерения, автоматизации и управления. Средства или системы, используемые в этих экспериментах, должны быть гибкими и адаптируемыми. В научных экспериментах технология виртуальных приборов предоставляет исследователю гибкость, необходимую для модернизации систем при возникновении непредвиденных обстоятельств. И научный, и учебный эксперимент требуют, чтобы используемые системы были экономичными. Компоненты систем, построенных на основе технологии виртуальных инструментов, могут быть использованы многократно в самых различных экспериментах без приобретения дополнительных аппаратных средств и программного обеспечения, поэтому выбор данной технологии является экономически обоснованным. Наконец, измерительные системы должны быть масштабируемыми, чтобы удовлетворять будущим потребностям. Модульный характер технологии виртуальных приборов позволит вам с легкостью добавлять новые функциональные возможности в создаваемую вами систему.

В NI ELVIS используется программное обеспечение, разработанное в среде LabVIEW, и аппаратура сбора данных NI для создания виртуальной измерительной системы, обладающей функциональными возможностями комплекта привычных измерительных приборов.

2.2.
LabVIEW

LabVIEW – это графический язык программирования, предназначенный для создания прикладных систем измерения, тестирования и автоматизации. При программировании в LabVIEW вместо текстовых строк используются пиктограммы. В отличие от текстовых языков в LabVIEW использована концепция потокового программирования, согласно которой выполнение программы определяется потоком данных. Виртуальный прибор (Virtual Instrument – VI) представляет собой программу на LabVIEW, которая моделирует внешний вид и функционирование настоящего измерительного прибора.

Гибкость, модульность и легкость программирования, присущие LabVIEW, делает эту среду разработки популярной в лабораториях ведущих университетов. С помощью LabVIEW вы можете создавать приложения с интерактивным пользовательским интерфейсом за очень короткое время, поскольку принципы графического программирования в LabVIEW интуитивно понятны. Ученые и инженеры могут использовать простые в реализации функциональные возможности LabVIEW по взаимодействию с устройствами ввода/вывода наряду с его аналитическими возможностями. LabVIEW может также применяться для решения чисто аналитических или численных задач в учебном процессе.

2.3. Обзор
NI
ELVIS

Функциональные возможности набора типовых лабораторных измерительных приборов в NI ELVIS реализованы на основе многофункционального устройства ввода-вывода (DAQ), специальной настольной рабочей станции, макетной платы и программ, разработанных в среде LabVIEW.

В настольную рабочую станцию NI ELVIS встроены аппаратно реализованные функциональный генератор и регулируемые блоки питания. А спроектированные в LabVIEW лицевые панели (Soft Front Panel – SFP) измерительных приборов объединяют функциональность DAQ-устройства (модуля ввода-вывода) и рабочей станции NI ELVIS, предоставляя возможность работы со следующими приборами:

· Генератором сигналов произвольной формы (Arbitrary Waveform Generator – ARB)

· Анализатором амплитудно- и фазочастотных характеристик (Bode Analyzer)

· Устройством чтения с цифровой шины (Digital Bus Reader)

· Устройством записи на цифровую шину (Digital Bus Writer)

· Цифровым мультиметром (Digital Multimeter – DMM)

· Анализатором спектра (Dynamic Signal Analyzer – DSA)

· Функциональным генератором сигналов (Function Generator – FGEN)

· Анализатором импеданса (Impedance Analyzer)

· Осциллографом (Oscilloscope – Scope)

· Анализатором вольтамперной характеристики двухполюсников (Two-Wire Current Voltage Analyzer)

· Анализатором вольтамперной характеристики четырехполюсников (Three-Wire Current Voltage Analyzer)

· Регулируемыми источниками питания (Variable Power Supplies)

Кроме перечисленных приборов в NI ELVIS имеется набор высокоуровневых функций LabVIEW для усовершенствования средств отображения данных, организации экспериментов и управления .

В NI ELVIS версии 3.0 и выше управлять приборами NI ELVIS можно с помощью среды SignalExpress, которая не требует программирования.

Внешний вид NI ELVIS показан на рисунке 1.

Рис. 1.
Схема размещения компонентов системы NI ELVIS на базе ноутбука и NI USB DAQ-устройства: 1 - ноутбук; 2 - USB кабель; 3 - NI USB DAQ-устройства M серии с типовым коннекторным блоком; устройство серии; 4 – сетевой шнур питания для NI USB DAQ-устройства M серии; 5 – экранированный кабель для устройства серии M; 6 – настольная рабочая станция NI ELVIS

3. Аппаратные компоненты
NI
ELVIS

Далее приведено краткое описание аппаратных средств NI ELVIS.

3.1. Настольная рабочая станция
NI
ELVIS

Настольная рабочая станция и DAQ-устройство (модуль ввода-вывода) вместе образуют завершенную лабораторную установку. Рабочая станция обеспечивает подключение исследуемых объектов и определяет функциональность лабораторной установки. На панели управления станции расположены простые органы управления функциональным генератором и регулируемыми блоками питания, а также удобные средства подключения к осциллографу и цифровому мультиметру NI ELVIS – BNC-разъемы и разъемы штекерного типа. Программное обеспечение NI ELVIS маршрутизирует сигналы в настольной рабочей станции между приборами. Например, выходной сигнал функционального генератора может быть направлен на определенный канал модуля ввода-вывода и, в конечном счете, этот сигнал окажется на нужном канале осциллографа NI ELVIS. Рабочая станция содержит также плату защиты, предохраняющую модуль ввода-вывода от повреждений, которые могут случиться при ошибочных действиях с лабораторным оборудованием.

Макетная плата NI ELVIS устанавливается в настольную рабочую станцию и предназначена для монтажа электронной схемы и подключения ее через соответствующие разъемы к приборам. С одной рабочей станцией можно использовать несколько сменных макетных плат.

Программное обеспечение NI ELVIS, разработанное в LabVIEW, обладает достоинствами программ, реализованных с использованием технологии виртуальных инструментов. Для программирования аппаратных средств NI ELVIS в состав программного обеспечения включены измерительные приборы с лицевой панелью, отображаемой на экране монитора (Soft Front Panel Instruments - SFP), API функции LabVIEW (Application Programming Interface – интерфейс программных приложений) и программные блоки SignalExpress.

3.2. Виртуальные измерительные приборы

NI ELVIS поставляется вместе с программным обеспечением измерительных приборов (SFP Instruments), разработанным в LabVIEW, и с исходным кодом программ. Исполняемые файлы программ изменить невозможно, однако вы можете изменять и совершенствовать функциональные возможности приборов, модифицируя программный код LabVIEW. Подобные измерительные приборы в LabVIEW называют виртуальными приборами – Virtual Instruments (VI), и именно они необходимы при работе в лаборатории.

3.2.1. Модуль запуска приборов

Модуль запуска NI ELVIS (Instrument Launcher) предоставляет доступ ко всем виртуальным измерительным приборам NI ELVIS. Запускается этот модуль двойным щелчком левой кнопки мыши по пиктограмме NI ELVIS на рабочем столе или выбором в меню Start»All Program Files»National Instruments»NI ELVIS 3.0»NI ELVIS
. После инициализации открывается панель комплекта виртуальных измерительных приборов, спроектированных в LabVIEW.

Чтобы запустить какой-нибудь прибор, просто нажмите на соответствующую кнопку. Если программа NI ELVIS надлежащим образом сконфигурирована и рабочая станция подключена к соответствующему модулю ввода-вывода, все кнопки на панели запуска должны быть доступны.

Если же есть проблемы с конфигурацией системы, например, рабочая станция подсоединена к модулю ввода-вывода, не указанному в конфигурации, или не включено питание рабочей станции, то кнопки всех приборов становятся недоступны. В этом случае единственная кнопка, на которую можно нажать – это кнопка Configure
(Конфигурировать

Некоторые приборы выполняют одинаковые операции, используя одни и те же ресурсы аппаратуры NI ELVIS и модуля ввода-вывода, и поэтому не могут работать одновременно. При запуске двух приборов с перекрывающейся функциональностью, не позволяющей этим приборам работать одновременно, программное обеспечение NI ELVIS откроет диалоговое окно, в котором будет описана ошибка. Вызвавший ошибку прибор блокируется и не будет функционировать до тех пор, пока конфликтная ситуация не разрешится.

3.2.2. Генератор сигналов произвольной формы

Программа генератора сигналов произвольной формы (Arbitrary Waveform Generator – ARB) использует функции высокого уровня для формирования аналоговых сигналов с помощью модуля ввода-вывода. Вы можете создавать различные типы сигналов, используя Waveform Editor (Редактор сигналов), который входит в состав программного обеспечения NI ELVIS. Для генерации сигналов, созданных ранее этим редактором, их можно загружать в генератор из файлов. Более подробная информация о программе Waveform Editor содержится в справочной системе NI
ELVIS
Help
.

Поскольку модуль ввода-вывода, как правило, имеет два аналоговых выхода, одновременно могут генерироваться два сигнала. Формирование сигналов может осуществляться в однократном или в непрерывном режиме. Максимальная скорость генерации сигналов зависит от максимальной частоты обновления данных в модуле ввода-вывода, к которому подключена рабочая станция NI ELVIS. Характеристики модуля ввода-вывода приведены в технической документации.

3.2.3. Анализатор амплитудно-частотных и фазочастотных
характеристик (АЧХ/ФЧХ)

Полнофункциональный анализатор АЧХ/ФЧХ (Bode Analyzer) в NI ELVIS реализован путем развертки по частоте тестового сигнала, формируемого функциональным генератором, и измерения сигналов модулем ввода-вывода. Вы можете устанавливать частотный диапазон прибора, а также выбирать шкалу отображения – линейную или логарифмическую. В NI ELVIS Help приведена информация о подключении анализатора.

3.2.4. Цифровой мультиметр

Популярный измерительный прибор – цифровой мультиметр (Digital Multimeter – DMM) позволяет измерять следующие величины:

· напряжение постоянного тока (DC Voltage)

· напряжение переменного тока (AC Voltage)

· силу постоянного и переменного тока (Current DC and AC))

· активное сопротивление (Resistance)

· ёмкость (Capacitance)

· индуктивность (Inductance)

· работоспособность диода (Diode test)

· проверять целостность электрических проводников – выполнять "прозвонку" (Audible continuity)

Подключиться к мультиметру можно через макетную плату или с помощью разъёмов штекерного типа на передней панели рабочей станции.

3.2.5. Анализатор спектра

Анализатор спектра (Dynamic Signal Analyzer – DSA) особенно полезен на занятиях по углублённому изучению электротехники и физики. Этот прибор использует аналоговый вход модуля ввода-вывода для измерений, которые выполняются в непрерывном режиме или в однократном режиме. В этом приборе для определения спектра можете фильтровать сигнал и накладывать различные окна.

3.2.6. Функциональный генератор

Этот прибор (Function Generator – FGEN) позволяет выбирать форму сигнала (синусоида, "меандр", "пила"), задавать его амплитуду и частоту. Кроме того, прибор дает возможность регулировать постоянную составляющую сигнала, осуществлять развертку сигнала по частоте, формировать сигналы с амплитудной (АМ) и частотной (ЧМ) модуляцией.

3.2.7. Анализатор импеданса

Простой анализатор импеданса (Impedance Analyzer) предназначен для измерения активной и реактивной составляющей сопротивления пассивных двухполюсников на заданной частоте.

3.2.8. Осциллограф

Осциллограф (Oscilloscope – Scope) обладает всеми функциональными возможностями стандартного настольного прибора, который можно найти в любой учебной лаборатории. Осциллограф NI ELVIS имеет два канала и снабжен регуляторами выбора масштаба, сдвига лучей, переключателями временной развертки, выбора источника и режима запуска. Свойство авто масштабирования позволяет регулировать масштаб по оси Y в зависимости от размаха переменного напряжения для лучшего отображения сигнала. В зависимости от типа подключённого к NI ELVIS модуля ввода-вывода запуск может быть цифровой и аналоговый. Сигналы на осциллограф подаются через макетную плату или через разъёмы типа BNC, установленные на лицевой панели рабочей станции.

Внутри рабочей станции NI ELVIS предусмотрена возможность подключения к осциллографу сигналов от функционального генератора или цифрового мультиметра. Кроме того, программное обеспечение компьютеризированного осциллографа позволяет использовать курсоры для точных измерений параметров сигналов по осциллограмме на экране. Скорость сбора данных осциллографа ограничена только максимальной частотой дискретизации модуля ввода-вывода, через который NI ELVIS подключен к компьютеру.

3.2.9. Анализаторы вольтамперных характеристик двух- и четырехполюсников

Эти приборы (Two-wire - и Three-wire Current-Voltage Analyzers) позволяют проводить тестирование параметров диодов и транзисторов, наблюдать их вольтамперные характеристики. Анализатор двухполюсников предоставляет полную свободу в установке пределов изменения напряжения и тока, а также может сохранять данные в файл. Анализатор четырехполюсников позволяет задавать ток базы при измерениях параметров транзисторов n-p-n типа. В обоих приборах предусмотрены курсоры для точных измерений параметров по кривой на экране. Информация о подключении прибора приведена в справочной системе NI
ELVIS
Help
.

3.2.10. Регулируемые источники питания

Программное обеспечение регулируемых источник

ов питания (Variable Power Supplies) позволяет изменять напряжения на их выходах – для источника отрицательного напряжения от –12 до 0 В, для источника положительного напряжения – от 0 до +12 В.

3.3. Органы управления рабочей станции

Схема расположения компонентов на панели управления рабочей станции приведена на рисунке 2.

Рис. 2.
Панель управления настольной рабочей станции: 1 - System Power – индикатор питания системы; 2 - Prototyping Board Power – выключатель питания макетной платы; 3 - Communication – переключатель связи; 4 - Variable Power Supplies – элементы управления регулируемыми блоками питания; 5 - Function Generator – элементы управления функциональным генератором; 6 - DMM – клеммы для подключения к мультиметру; 7 - SCOPE – разъемы для подключения к осциллографу.

Настольная рабочая станция снабжена следующими элементами управления и индикации:

SYSTEM
POWER
– индикатор включения питания NI ELVIS.

PROTOTYPING
BOARD
POWER
– выключатель питания макетной платы.

COMMUNICATIONS
– переключатель режима управления NI ELVIS – шлет запрос на отключение программного управления. В большинстве приложений этот переключатель устанавливают в положение Normal
, в котором управление NI ELVIS передается компьютеру. Подробнее об этом переключателе написано в приложении F, Использование режима транзитной передачи
.

VARIABLE
POWER
SUPPLY
– элементы управления
регулируемыми блоками питания.

SUPPLY
– - элементы управления источником отрицательного
напряжения.

MANUAL
– переключатель режима управления источником (ручной или программный). В ручном режиме (Manual) регулятор VOLTAGE управляет источником отрицательного напряжения. В программном режиме источник отрицательного напряжения управляется через виртуальный прибор Variable Power Supply.

VOLTAGE
– регулятор отрицательного выходного напряжения, диапазон изменения напряжения от –12 до 0 В. Чтобы воспользоваться этим регулятором, необходимо установить переключатель Manual в режим ручного управления источниками питания.

SUPPLY
+ - элементы управления источником положительного
напряжения.

MANUAL
– переключатель режима управления источником (ручной или программный). В ручном режиме (Manual) регулятор VOLTAGE управляет источником положительного напряжения. В программном режиме этот источник управляется через виртуальный прибор Variable Power Supply.

VOLTAGE
– регулятор положительного выходного напряжения, диапазон изменения напряжения от 0 до +12 В. Чтобы воспользоваться этим регулятором, необходимо установить переключатель Manual в режим ручного управления источниками питания.

Подробную информацию о режиме программного управления блоками питания можно найти в NI
ELVIS
Help
.

FUNCTION
GENERATOR
– элементы управления
функциональным генератором.

MANUAL
– переключатель выбора режима управления функциональным генератором (ручной или программный).

В ручном режиме функциональным генератором управляют переключатель выбора функции, переключатель AMPLITUDE и регуляторы COARSE FREQUENCY и FINE FREQUENCY.

В программном режиме функциональный генератор управляется через виртуальный прибор FGEN.

Function
– переключатель выбора формы генерируемого сигнала. NI ELVIS может генерировать синусоидальный, прямоугольный и треугольный сигналы.

AMPLITUDE
– регулятор амплитуды генерируемого сигнала.

COARSE
FREQUENCY
– переключатель диапазона частот генерируемого сигнала.

FINE
FREQUENCY
– плавный регулятор частоты сигнала.

Подробную информацию о режиме программного управления функциональным генератором можно найти в NI
ELVIS
Help
.

DMM
– гнезда для подключения к цифровому мультиметру

CURRENT
– гнезда для токовой цепи:

HI
– вход положительной полярности для всех режимов работы мультиметра, кроме измерения напряжения.

LO
– вход отрицательной полярности для всех режимов работы мультиметра, кроме измерения напряжения.

VOLTAGE
– гнезда для напряжения:

HI
– вход положительной полярности для измерения напряжения.

LO
– вход отрицательной полярности для измерения напряжения.

Если вы используете входные гнезда цифрового мультиметра на лицевой панели, не подключайтесь к аналогичным входам на макетной плате.

На задней панели NI ELVIS расположены следующие компоненты (Рис. 3):

· Выключатель питания рабочей станции. Используйте этот выключатель для полного отключения рабочей станции от сети.

· Разъем для подключения источника питания постоянного/переменного тока к рабочей станции.

· 68-контактный разъем для подключения кабеля от модуля ввода-вывода к рабочей станции.

Рис. 3.
Вид сзади на настольную рабочую станцию NI ELVIS: 1 - Выключатель питания рабочей станции; 2 - Разъем для подключения источника питания постоянного/переменного тока; 3 - 68-контактный разъем для подключения кабеля от модуля ввода-вывода.

3.4. Лабораторная плата аналоговой электроники

Как отмечалось выше, для проведения учебных исследований может быть использована макетная плата NI ELVIS, расположенная сверху настольной рабочей станции.

Однако в предлагаемом цикле лабораторных работ по аналоговой электронике будет использоваться макетная плата, специально разработанная на кафедре КИСМ ЭФФ и предназначенная для монтажа исследуемой схемы и подключения ее к источникам питания и измерительным приборам NI ELVIS.

Плата расположена над макетной платой станции NI ELVIS и снабжена принципиальной схемой и гнездами, более удобными для монтажа исследуемой схемы с помощью прилагаемых перемычек.

Принципиальная схема разработанной макетной платы приведена на рисунке 4. В левой части ее расположены монтажные гнезда (все гнезда на схеме обозначены концентрическими окружностями), соединенные с входами и выходами сигналов, которые предоставляют доступ ко всем виртуальным измерительным приборам NI ELVIS.

На остальной части платы показаны элементы, соединяя которые перемычками можно получать различные объекты исследования аналоговой электроники, как рекомендованные для проведения лабораторной работы в соответствующих методических указаниях, так и выбранные Вами, если они представляют интерес для исследования.

Принципиальная схема также содержит информацию об обозначениях и номиналах используемых элементов.

Входы и выходы сигналов, обеспечивающие доступ ко всем виртуальным измерительным приборам NI ELVIS, подписаны в соответствии с идеологией NI ELVIS и, по возможности, расположены с учетом функционального их назначения.

Назначение используемых в лабораторном цикле входов и выходов показано в таблице 2.

Для лучшего понимания устройства монтажной платы на рисунке 5 приведен ее монтаж ( вид снизу двухслойной платы), где также изображены проводящие дорожки, их соединения с гнездами и расположение элементов электроники лабораторного макета.

Студенты должны обратить внимание, что многие элементы электроники являются элементами SMD, предназначенные для поверхностного монтажа, как одного из его современных видов.

По рисунку также можно судить о размерах использованной в лабораторном макете элементной базы, а также получить информацию об обозначениях и номиналах используемых элементов.

Рис. 4
. Принципиальная схема лабораторной макетной платы.

Рис.5
. Монтаж двухслойной платы лабораторного макета (вид снизу) с указанием гнезд и используемых электронных элементов.

Таблица 2.Назначение входов и выходов лабораторного макета, предоставляющих доступ ко всем используемым виртуальным измерительным приборам NI ELVIS.

Название сигнала Тип Описание

АСН<0..1>+	Аналоговые входы общего назначения	Analog Input Channels 0 through 1– положительные входы дифференциальных аналоговых каналов 0÷1.(±).Отрицательные входы каналов заземлены, т. е. присоедены к GND.
CH<A..B>+	Осциллограф	Oscilloscope Channels A and B –положительные входы каналов A и B (+) осциллографа. CH<A..B>-(Oscilloscope Channels A and B –)-отрицательные входы каналов осциллографа заземлены на.GND.
3-WIRE	Цифровой мультиметр	Three Wire (трехпроводной) – источник напряжения для цифрового мультиметра, используется при измерении параметров транзистора.
CURRENT HI	Цифровой мультиметр	Positive Current (положительный токовый контакт) – вход мультиметра положительной полярности для всех измерений, кроме измерения напряжения
CURRENT LO	Цифровой мультиметр	Negative Current (отрицательный токовый контакт) – вход мультиметра отрицательной полярности для всех измерений, кроме измерения напряжения.
VOLTAGE HI	Цифровой мультиметр	Positive Voltage (контакт положительного напряжения) – вход положительной полярности для вольтметра мультиметра.
VOLTAGE LO	Цифровой мультиметр	Negative Voltage (контакт отрицательного напряжения) – вход отрицательной полярности для вольтметра мультиметра.
FUNC OUT	Функциональный генератор	Function Output – выход функционального генератора.
+9V;-9V	Источник питания операционного усилителя.	Выходные напряжения стабилизаторов постоянного напряжения. Используются при фиксированных значениях +U и-U питания операционного усилителя.
SUPPLY+	Регулируемые блоки питания	Выход регулируемого блока питания с положительным выходным напряжением (+) от 0 до 12 В.
SUPPLY-	Регулируемые блоки питания	Выход регулируемого блока питания с отрицательным выходным напряжением (-) от –12 до 0 В.
+5 V	Источник постоянного тока	Выход источника питания +5 В, относительно цепи GROUND, нерегулируемый.
GND	Источник постоянного тока	Ground – общая цепь макетной платы – "заземление". Все контакты макетной платы с таким обозначением соединены

4.Краткое руководство по эксплуатации виртуальными измерительными приборами
NI
ELVIS
.

4.1 Начало работы

Рисунок 6

Для включения питания NI ELVIS нажмите кнопки «1, 2, 3» как показано на рисунке 6, при этом возле кнопок «1» и «3» должны загореться индикаторы.

Запустите программное обеспечение NI ELVIS. Вызов программного модуля осуществляется двойным щелчком левой кнопки мыши по пиктограмме NI ELVIS на рабочем столе или выбором в меню Start»All Program Files»National Instruments»NI ELVIS 3.0»NI ELVIS
. После инициализации открывается панель комплекта виртуальных измерительных приборов - рисунок 7. Панель инструментов интерактивна, а вызов соответствующего измерительного прибора осуществляется нажатием на кнопку панели.

Метрологические характеристики измерительных приборов приведены в [1]. Данное руководство устанавливается вместе с программным обеспечением и вызывается следующим образом: меню Start»All Program Files»National Instruments»NI ELVIS 3.0»NI ELVIS User Manual
.

Рисунок 7 Панель измерительных приборов ELVIS

4.2
Цифровой
мультиметр
(Digital Multimeter - DMM)

Мультиметр имеет два способа подключения:

1. через макетную плату;

2. через разъёмы штекерного типа на передней панели рабочей станции.

Для работы с мультиметром подключите две однополюсных вилки к токовым входам DMM на лицевой панели рабочей станции. Два других конца подключите к одному из резисторов. Выберите Digital Multimeter из панели инструментов, на экране появится следующее окно, рисунок 8.

Рисунок 8 – Лицевая панель мультиметра

Элементы и функции мультиметра (рисунок 8):

1 – выбор диапазона измерений; 2 – выбор режима измерений; 3 – непрерывные (циклические) и однократные измерения; 4 – коррекция нуля – необходимо включать при работе амперметра и вольтметра.

Необходимо учитывать, что при отсутствии внешнего сигнала мультиметр показывает напряжение и ток, которые присутствуют внутри самой установки NI ELVIS. При включении кнопки Null мультиметр запоминает эти значения напряжения и тока с целью коррекции результата измерения.

При переключении тумблера «MANUAL» (элемент 5 рисунок 2) в положение «ручной режим» (загорается лампочка) на экране Digital Multimeter появляется надпись FGEN in MANUAL mode, и в этом режиме не доступны следующие режимы измерений:

- измерение сопротивления;

- измерение емкости;

- измерение индуктивности, как показано на рисунке 9.

Рисунок 9

4.2.1 Измерение напряжения постоянного тока
(DC Voltage)

На вход вольтметра NI ELVIS сигнал может подаваться с макетной платы или с разъемов панели управления самой рабочей станции, как показано на рисунке 10. Оба соединения активны даже при отключенном питании макетной платы.

Рисунок 10 Входы мультиметра на панели управления станции ELVIS

Входы DMM:

1-токовые входы;

2- входы для измерения напряжения

Для измерения напряжения постоянного тока необходимо выбрать режим, как показано на рисунке 11.

Рисунок 11

Предел измерений необходимо выбирать исходя из априорной информации, если ее нет, включите автопредел (Auto).

4.2.2
Измерение напряжение переменного тока (А
C Voltage
)

Для измерения напряжения переменного тока необходимо выбрать режим, как показано на рисунке 12.

Рисунок 12

Стоит заметить, что при измерении переменного напряжения значения диапазонов изменяются.

4.2.3
Измерение постоянного и переменного тока (Current DC
and
АC).

Для измерения постоянного тока необходимо выбрать режим, как показано на рисунке 13, для измерения переменного тока – рисунок 14.

Рисунок 13 Рисунок 14

4.2.4
Измерение активного сопротивления (Resistance)

Для измерения активного сопротивления необходимо выбрать режим, как показано на рисунке 15.

Рисунок 15

4.2.5
Измерение емкости (Capacitance)

Для измерения емкости необходимо выбрать соответствующий режим, как показано на рисунке 16.

Рисунок 16

4.2.6
Измерение индуктивности (Inductance)

Для измерения индуктивности необходимо выбрать соответствующий режим, как показано на рисунке 17.

Рисунок 17

4.2.7
Проверка
работоспособности диода (Diode test)

Для проверки работоспособности диода необходимо выбрать соответствующий режим, как показано на рисунке 18.

Рисунок 18

Если в окне высвечивается надпись «OPEN», это означает, что диод подключен обратной полярностью (наоборот) или диод неработоспособен. Появление надписи «GOOD» означает, что диод работоспособен, как показано на рисунке 19.

Рисунок 19

4.2.8
Проверка целостности электрических проводников – «прозвонка» (Audible continuity)

При переключении на режим «Audible continuity» на экране появится надпись «OPEN», как показано на рисунке 20.

Рисунок 20

Это означает, что в цепи присутствует разрыв.

При появлении на экране определенного значения, к примеру «5 Ohms», это означает, что целостность в цепи не нарушена и ее сопротивление равно 5 Ом, как показано на рисунке 21.

Рисунок 21

4.3 Осциллограф (SCOPE)

Разъемы для подключения к осциллографу находятся на лицевой панели NI ELVIS (элемент 7, рисунок 2).

Лицевая панель виртуального прибора показана на рисунке 22.

Рисунок 22 Лицевая панель осциллографа

1 – кнопка запуска циклических (непрерывных) измерений;

2 – кнопка запуска однократных измерений;

3 – информация о текущих результатах измерения:

RMS – среднеквадратическое значение сигнала;

Freq – частота;

Vp-p – размах напряжения;

dT – разница по времени между точками С1 и С2;

С1, С2 – значение напряжений в точках;

4, 5 – канал А и канал В осциллографа;

6 – кнопка для вывода сигнала на экран;

7 – кнопка вывода на экран результата измерения (3);

8 – выбор источника:

BNC/Board CH A – выбор канала А на плате;

АСН0 – нулевой канал;

АСН1, АСН2, АСН5 – первый, второй и пятый каналы;

FGEN FUNC_OUT – выходной сигнал функционального генератора;

FGEN SYNC_OUT – ТТЛ сигнал той же частоты что и выходной сигнал функционального генератора;

DMM Voltage – выходной канал цифрового мультиметра.

9 – ручка регулирования смещения сигнала по оси У;

10 – ручка регулирования масштаба напряжения по оси У;

11 – возврат сигнала на исходное значение;

12 – значение масштаба напряжения по оси У;

13 – режим измерения: АС – переменное напряжение; DC – постоянное напряжение;

14 – ручка регулирования масштаба времени по оси Х;

15 – значение масштаба времени по оси Х;

16 – вход сигнала запуска осциллографа;

17 – ручной выбор точек измерения (точки С1, С2);

18 – кнопка сохранения результатов измерения.

Для смещения графика по оси У вниз или вверх, необходимо воспользоваться ручкой 9, рисунок 23.

Рисунок 23

Чтобы вернуть график на исходную позицию, можно воспользоваться кнопкой 11, рисунок 24.

Рисунок 24

Для того чтобы сделать развертку по оси У, необходимо воспользоваться ручкой регулирования 10, рисунок 25.

Рисунок 25

Для того чтобы сделать развертку по оси Х, необходимо воспользоваться ручкой регулирования 14, рисунок 26.

Рисунок 26

4.4 Функциональный генератор (Function Generator – FGEN)

Регулировать значение частоты и амплитуды можно как с лицевой панели прибора рисунок 27, так и с панели виртуального прибора рисунок 28.

Рисунок 27

Рисунок 28

Назначение элементов управления генератора:

1 – кнопка запуска генератора;

2 – индикатор работы функционального генератора в ручном режиме;

3 – кнопка выбора предела частоты (тумблер 1 на лицевой панели прибора);

4, 5 –регулятор точной настройки значения частоты (ручка 4 на лицевой панели прибора);

6 – выбор формы сигнала (тумблер 6 на лицевой панели прибора);

7, 8 – регулирование максимального значения частоты (ручка 7 на лицевой панели прибора);

9, 10 – установка напряжения смещения;

11 – настройки частоты выборки при формировании цифрового сигнала;

12 – настройка режима:

Simple – простая;

UltraFine – точная.

После настройки параметров генерируемого сигнала его можно рассмотреть с помощью встроенного осциллографа смотри пункт 4.3, рисунок 29.

Рисунок 29

4.5 Регулируемые источники питания (Variable Power Supplies
)

Программное обеспечение регулируемых источников питания (Variable Power Supplies) позволяет изменять напряжения на их выходах – для источника отрицательного напряжения от –12 до 0 В, для источника положительного напряжения – от 0 до +12 В, как изображено на рисунке 30.

Рисунок 30

С помощью виртуальной панели прибора мы можем настраивать постоянное напряжение, при нажатии на кнопку RESET значение обнуляется.

Аналогичные действия возможно проделать вручную, переключив тумблер в положение MANUAL, как показано на рисунке 31.

1 – тумблер переключения, 2 - индикатор ручного режима.

Рисунок 31

4.6 Анализатор амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик - АЧХ/ФЧХ
(Bode Analyzer)

На анализаторе АЧХ/ФЧХ мы можем устанавливать частотный диапазон прибора, а также выбирать шкалу отображения – линейную или логарифмическую, как показано на рисунке 32.

Рисунок 32

1 – начальное значение частоты;

2 – шаг;

3 – конечное значение частоты;

4 – максимальное значение амплитуды;

5 – полярность сигнала (нормальная и обратная);

6 – кнопка запуска;

7 – кнопка сохранения результатов;

8 – выбор диапазона значений по оси Y;

9 – курсор (маркер).

С помощью меню 8 мы можем менять масштаб графиков АЧХ и ФЧХ, как показано на рисунках 33 и 34.

Рисунок 33 Рисунок 34

С помощью курсора (9) можно снимать показания отдельных точек графика, рисунок 35.

Рисунок 35

4.7 Анализатор спектра
(Dynamic Signal Analyzer – DSA)

С помощью данного прибора можно определить спектральные составляющие сигнала и отфильтровать его. Панель виртуального прибора показана на рисунке 36.

Рисунок 36

Элементы управления анализатора:

1 – выбор источника входного сигнала;

2 – диапазон напряжения;

3 – развертка по частоте;

4 – вычисление средних значений

- none

- RMS

- vector

- peak hold

5 – разрешение;

6 – весовая обработка данных

-linear

- exponential

7 – настройки окна;

8 – число средних;

9 – настройки триггера;

10, 13 – выбор единиц измерения;

11 – кнопка перезапуска;

12 – маркер;

14 – настройка шкалы (ручная, автоматическая);

15 – кнопки управления масштабом;

16 – кнопка сохранения результатов;

17 – кнопка смещения сигнала по оси Х;

18 – кнопка запуска.

4.8 Анализатор вольтамперных характеристик двухполюсников (Two-wire Current-Voltage Analyzers)

Для определения вольтамперной характеристики (ВАХ) двухполюсников (например - диода) необходимо выбрать Two-wire Current-Voltage Analyzers, как показано на рисунке 37.

Рисунок 37

Элементы управления анализатора ВАХ двухполюсников:

1 – выбор диапазона по оси напряжения (ось Х);

2 – выбор шага;

3 – выбор диапазона по оси тока (ось У);

4 – кнопка запуска;

5 – кнопка сохранения результатов;

6 – автонастройка;

7 – масштабирование;

8 – курсор (маркер).

Для масштабирования графика можно воспользоваться кнопками 7, как показано на рисунке 38.

Рисунок 38

4.9 Анализатор вольтамперных характеристик четырехполюсников (
Three
-wire Current-Voltage Analyzers)

Для определения вольтамперной характеристики четырехполюсников (например – биполярный транзистор n-p-n типа) необходимо выбрать Three -wire Current-Voltage Analyzers, как показано на рисунке 39.

Рисунок 39

Элементы управления анализатора ВАХ четырехполюсников:

1 – выбор начальной точки;

2 – выбор числа кривых;

3 – выбор шага;

4 – выбор диапазона по оси напряжения (ось Х);

5 – выбор шага;

6 – выбор предельного значения тока коллектора;

7 – кнопка запуска;

8 – кнопка сохранения;

9 – автонастройка;

10 – масштабирование;

11 – курсор (маркер).

4.10 Сохранение результатов работы

Результаты измерения, полученные с помощью виртуальных приборов (осциллограф, анализатор АЧХ и ФЧХ, анализатор спектра, анализаторы двух- и четырехполюсников), можно сохранить в различных форматах (.txt, .xls и т.д.). Для этого на панели виртуального прибора необходимо нажать соответствующую кнопку, рисунок 40.

Рисунок 40

После нажатия кнопки появляется окно сохранения результатов, рисунок 41. Далее выбираем директорию, в которую необходимо сохранить результаты.

Рисунок 41 Выбор папки и создание файла для сохранения результата измерения

5.
список литературных источников

1. Комплект виртуальных измерительных приборов для учебных лабораторий NI ELVIS. Технические средства. – Руководство пользователя.

Сайт компании National Instruments: www.ni.com

Лабораторные работы по аналоговой электронике

в программно-аппаратной среде NI ELVIS

Кн. 1

Введение в NI ELVIS

Цимбалист Эдвард Ильич
Силушкин Станислав Владимирович

Методические указания к циклу лабораторных работ

по «Электронике»

Подписано к печати

Формат 60´84/16. Бумага офсетная.

Печать RISO. Усл.печ.л. . Уч.- изд. л. .

Тираж 100 экз. Заказ № Цена свободная.

Издательство ТПУ. 634050, Томск, 30.

*
Временное положение об организации учебного процесса с использованием кредитных и балльно-рейтинговых оценок освоения образовательных программ // Под общ. Ред. А.А. Малышенко. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2005. – 40 с.

[1]
Казанцева Н.Н. Расчет оценок погрешностей измерения. Практическое справочное руководство. – Томск: Изд-во ТПУ, 2005. – 36 с. См. также «Подсчет погрешностей в лабораторных работах и запись результатов: Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу общей физики для студентов всех специальностей. – Томск: Изд-во ТПУ, 2003. – 8 с.

[2]
. Лабораторные работы по аналоговой электронике: Методические указания к лабораторному циклу; в 9 кн. Кн. 9. Казаков В.Ю. Использование метода наименьших квадратов для обработки результатов измерений. - Томск: Изд. ТПУ, 2007. – 12 с.