3.2. Краткое описание универсального лабораторного стенда

Универсальный лабораторный стенд по электронике представляет собой рабочее место, на котором расположено следующее оборудование:

1. Персональный компьютер с жидкокристаллическим монитором и PCI-совместимой платой ввода-вывода.

2. Лабораторная станция NI ELVIS со специальной коммутационной панелью.

3. Электронно-лучевой осциллограф-мультиметр С1-112.

4. Цифровой мультиметр М-830B или аналогичный.

5. Комплект соединительных проводов и кабелей.

6. Сетевой фильтр.

На базе вышеназванного оборудования реализован программно-аппаратный комплекс, позволяющий осуществлять непосредственные измерения основных электрических величин, снимать вольт-амперные и передаточные характеристики, исследовать форму и параметры электрических сигналов и т.д.

Далее будет отдельно рассмотрено назначение, функциональные возможности и методика пользования всем комплексом оборудования. Применительно к лабораторной станции NI ELVIS будет описано и основное программное обеспечение, используемое в ходе лабораторного практикума.

3.3. Краткое описание лабораторной станции ni elvis и программного обеспечения

3.3.1. Лабораторная станция NI ELVIS, совместно с много-функциональной DAQ-платой ввода-вывода PCI-6251, представляет собой компактный и универсальный комплекс технических средств измерения, имеющий ручное и программное управление, осуществляемое посредством виртуальных приборов, реализованных в среде LabVIEW.

Данная автоматизированная измерительная система включает в себя функции следующих приборов:

1. Цифрового мультиметра.

2. Измерителя ёмкости и индуктивности.

3. Электронного двухканального осциллографа.

4. Анализатора вольт-амперных и передаточных характеристик (характериографа).

5. Функционального генератора (синусоидального, пилообразного и прямоугольного импульсного напряжения).

6. Регулируемых источников питания положительного и отрицательного напряжения со средней точкой.

7. Стабилизированных источников питания +5В и +/-15В.

8. Анализатора спектра электрических сигналов и др.

На рис.1 представлена блок-схема измерительного комплекса на базе NI ELVIS.

Рис. 1. Блок-схема программно-аппаратного комплекса, реализованного на оборудовании National Instruments

3.3.2. Назначение органов управления станции ni elvis. Слева направо на передней панели станции ni elvis (см. Рис. 2) находятся следующие органы контроля и управления:

1. «SYSTEM POWER» – светодиодный индикатор наличия напряжения сети.

2. «PROTOTYPING BOARD POWER» – выключатель питания лабораторного макета с индикаторным светодиодом.

Рис. 2. Передняя панель станции NI ELVIS

3. «COMMUNICATIONS» – переключатель режима соединения с ПК. При выполнении лабораторных работ он должен быть установлен в положение «NORMAL».

4. «VARIABLE POWER SUPPLIES» – элементы управления регулируемыми источниками питания. Имеется две секции (для источника отрицательного напряжения и для источника положительного напряжения). Для каждого из источников имеется ручка регулировки напряжения и переключатель режима управления. В случае установки переключателя в режим «MANUAL» источник управляется вручную, в противном случае он имеет программное управление.

5. «FUNCTION GENERATOR» - элементы управления функционального генератора. Функциональный генератор имеет переключатель вида управления, установкой которого в положение «MANUAL» осуществляется переход с программного на ручное управление. Ручка «COARSE FREQUENCY» является переключателем частотного диапазона. Для более точной установки частоты служит ручка «FINE FREQUENCY». Ручка «AMPLITUDE» позволяет регулировать выходное напряжение генератора. Также имеется переключатель формы сигнала, установкой которого в различные положения можно получить синусоидальное, пилообразное или прямоугольное импульсное напряжение.

6. «DMM», Digital MultiMeter – гнёзда цифрового мультиметра. Имеются две пары гнёзд, обозначенные соответственно «CURRENT» и «VOLTAGE». Красным цветом обозначены гнезда положительного потенциала (HI), чёрным – отрицательного (LO). С помощью гнезд «VOLTAGE» осуществляется измерение постоянного и переменного напряжения, кроме того, они могут использоваться в качестве входа виртуального осциллографа. Гнёзда «CURRENT» используются для измерения силы постоянного и переменного тока, а также - значения сопротивления постоянному току, ёмкости и индуктивности. Вывод на экран результатов вышеперечисленных измерений осуществляется с помощью программных средств National Instruments.

7. «SCOPE» - байонетные (защёлкивающиеся) разъёмы входов осциллографа NI ELVIS. «CH A», «CH B» - входы каналов A и B. «TRIGGER» - вход внешней синхронизации.

Сверху, на коммутационной панели, расположены:

- разъём с направляющими для подключения платы лабораторного макета (схема распайки разъёма - см. рис.3а);

- 9 ключей (переключателей) с индикаторными светодиодами для осуществления коммутаций в схеме;

- гнёзда аналогового ввода/вывода для подключения соединительных проводов (см. рис.3,б).

а)

б)

Р ис.3. Принципиальная схема распайки разъёма

лабораторного стенда (а), гнёзда коммутационной панели (б).

На разъём выведены следующие цепи:

1. Источник питания +5В, контакты Б2, Б1;

2. Двуполярный регулируемый источник питания (VARIABLE POWER SUPPLIES), контакты Б4, Б5, А7;

3. Источник питания +15 В, контакты А16, А6;

4. Выход функционального генератора, контакты Б6, А6;

5. Выводы переключателей, предназначенных для произведения коммутаций в схемах. (Б8-14, А9-15).

Общий провод соединен с контактами разъема Б1, Б5, А6.

Назначение гнёзд коммутационной панели:

-вывод пилообразного напряжения для снятия передаточных характеристик и ВАХ (канал вывода DAC 0);

«Вх.X» - канал аналогового ввода ACH 1, используется для измерения напряжения, откладываемого по горизонтальной оси графиков.

« Вх.Y» - канал аналогового ввода ACH 0. Используется для измерения напряжения, откладываемого по вертикальной оси графиков.

«Б»- вывод «Current HI» «К»- вывод «3-Wire» «Э»- вывод «Current LO».

Выводы DMM, использующиеся для снятия семейств выходных харак-теристик транзистора в схеме ОЭ.

«Осц.» - гнёзда электронного осциллографа С1-112:

«Вх.С» - вход синхронизации;

« » - общий провод.

Таким образом, лабораторная станция NI ELVIS в совокупности с персональным компьютером позволяет осуществлять электропитание электронных устройств, подавать на них различные сигналы, проводить большинство необходимых измерений, а программное обеспечение позволяет обрабатывать результаты многократных измерений и представлять их в наглядной форме виде характеристик (графиков).

3.3.3. Для обеспечения функционирования лабораторного оборудования на компьютерах лаборатории электроники установлен фирменный пакет программ «NI Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite» (см.рис.4), который можно запустить через меню «Пуск – Все программы – National Instruments – NI ELVIS 3.0 - NI ELVIS». Рис.4. Меню

Запуск содержащихся в нём программных средств, так называемых «виртуальных приборов», возможен только в случае установки соединения с рабочей станцией, то есть она должна быть включена. Для установки соединения имеется меню «Configure», в котором требуется нажать кнопку «Check».

В меню выбора виртуальных приборов (см.рис.4) можно видеть следующие кнопки:

1. «Digital Multimeter» - цифровой мультиметр. Этот прибор позволяет измерять постоянные и переменные напряжения с помощью гнёзд «DMM Voltage», расположенных на передней панели, а с помощью гнёзд «DMM Current» - силу постоянного и переменного тока, ёмкость, индуктивность и сопротивление постоянному току. Прибор имеет режимы циклического (кнопка Run) и однократного измерения (кнопка Single).

2. «Oscilloscope» - виртуальный двухканальный осциллограф. Осциллограф позволяет наблюдать электрические сигналы, подаваемые на каналы аналогового ввода, гнезда мультиметра «DMM Voltage» и байонетные разъёмы SCOPE, расположенные на передней панели стенда.

3. «Function Generator» - программа для управления функциональным генератором стенда, позволяющая производить точную установку частоты, амплитуды сигнала и его постоянной составляющей. Имеется также функция ступенчатого изменения частоты. Генератор работает в диапазоне от 10 Гц до 500 кГц, его выход выведен на разъём РК-30 (рис.3а), т.е. на плату лабораторного макета.

4. «VARIABLE POWER SUPPLIES» - программа управления блоком питания. Позволяет регулировать напряжение источников отрицательного и положительного напряжения от 0 до 12 В.

5. «Bode Analyser» - анализатор АЧХ и ФЧХ.

6. «Dynamic Signal Analyser» - анализатор спектра.

7. «Arbitary Waveform Generator» - генератор сигналов произвольной формы.

8. «Digital Reader» - программа записи цифровых сигналов.

9. «Digital Writer» - программа вывода цифровых сигналов.

10. «Impedance Analyzer» - анализатор комплексного входного сопротивления. Результат измерения отображается в полярных координатах.

11. «Two-Wire Current-Voltage Analyzer» - анализатор вольт-амперных характеристик двухполюсников (ВАХ), позволяет снимать характеристики при напряжении от –10 В до +10 В и силе тока от –10 мА до +10 мА. Снятие характеристик осуществляется либо с помощью гнезд «DMM Current», либо с помощью гнезд «Б», «Э», соответствующих гнёздам «Current HI» и «Current LO».

12. «Three-Wire Current-Voltage Analyzer» - анализатор семейств статических выходных характеристик биполярных n-p-n транзисторов в схеме с общим эмиттером. Позволяет снимать зависимость тока коллектора от напряжения на коллекторе при ступенчато изменяющемся токе базы. Максимальное значение коллекторного тока I_{k max}=10 мА, максимальное напряжение коллектор-эмиттер U_{кэ max}=10 В.

Помимо фирменного пакета программ «NI Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite», в лабораторном практикуме применяются пользовательские приложения, написанные на графическом языке в среде LabVIEW.

Язык программирования LabVIEW специально предназначен для создания программ обработки результатов измерений и автоматизации эксперимента и отличается от большинства языков тем, что все операторы и команды представлены в нем виде графических элементов, напоминающих внешне элементы блок-схем алгоритмов. На специальной блок-диаграмме они соединяются между собой линиями, называемыми «проводниками данных».

Однако, в курсе лабораторных работ по электронике блок-диаграммы виртуальных приборов студентам недоступны, студенты работают только с лицевой панелью (Front Pannel) виртуальных приборов.

На рабочем столе пользователя предусмотрена папка «Лаб_Работы», в которой имеются вложенные папки, соответствующие номерам и названиям лабораторных работ. В каждой из вложенных папок находятся файлы с расширением.vi, представляющие собой пользовательские приложения для автоматизации эксперимента, методическая документация, а также, при необходимости, - ярлыки, указывающие на соответствующие программные средства.

Для запуска любого пользовательского приложения достаточно нажать на файл двойным щелчком мыши, и он откроется в среде LabVIEW.

Чтобы запустить программу (cм.рис.5) на циклическое выполнение, необходимо нажать кнопку «Run» (1). Правее кнопки «Run» имеется кнопка остановки программы (2) и кнопка паузы (3).

Рис. 5. Запуск пользовательского приложения в среде LabVIEW.