Tsimbalist_E_I_Silushkin_S_V_--_Issledovanie_analogovykh_skhem_v_programmno-apparatnoy_srede_NI_ELVIS_uchebnoe_posobie

ФЕДЕРАЛЬНОЕАГЕНТСТВОПООБРАЗОВАНИЮ РОССИЙСКОЙФЕДЕРАЦИИ

Государственноеобразовательноеучреждениевысшегопрофессиональногообразования

«ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Э.И. ЦИМБАЛИСТ, С.В. СИЛУШКИН

ИССЛЕДОВАНИЕ АНАЛОГОВЫХ СХЕМ

В ПРОГРАММНО-АППАРАТНОЙ СРЕДЕ NI ELVIS

Издательство Томского политехнического университета

2009

3

4

1.Введение в NI ELVIS

1.1.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 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:

*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 универси-

тета, 2005. – 40 с.

5

использованием современных технологий проведения работ лабораторного цикла, в частности технологии виртуальных инструментов

всреде NI ELVIS, которая объединяет технические средства измерения и управления, прикладное программное обеспечение и стандартные промышленные компьютерные технологии;

возможностью выбора тематики лабораторной работы из цикла работ и выбора для исследований набора схем в каждой из работ, представляющих наибольший интерес у обучаемого;

уходом от технологии «бригадного подряда» и переходом к индивидуальному обучению;

организацией входного и текущего контролей работ. Технология выполнения каждой ЛР содержит три этапа:

1.Внеаудиторная подготовка к лабораторной работе.

2.Аудиторное лабораторное занятие, включающее в себя оценку подготовки студента к ЛР, лабораторный эксперимент над заданным объектом исследования и защиту отчета ранее проделанной ЛР.

3.Внеаудиторное оформление отчета выполненной ЛР.

1.2.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;

домашнюю 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 проверяется 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:

6

расчет погрешности измерений1;

использование метода наименьших квадратов для обработки ре-

зультатов 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 овладеет 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 табл. 1.

Таблица 1

Примерный перечень компетенций, востребованных при подготовке к лабораторным работам

1Казанцева 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.

2Лабораторные работы по аналоговой электронике: методические указания к лабораторному циклу. В кн. 9: Казаков В.Ю. Использование метода наименьших квадра-

тов для обработки результатов измерений. Томск: Изд-во ТПУ, 2007. – 12 с.

7

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

1.3. 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 возможно, использовать открытый вход осциллографа.

В противном случае используется закрытый вход осциллографа, когда в установившемся режиме постоянная составляющая задерживается цепью с входной 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.

8

1.4. 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.

Вначале отчета формируется цель работы.

Вдальнейшем 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 нем 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.

Впоследнем случае полезно использовать многократный экспери-

мент.

Отчет заканчивается выводами о проделанной работе. Выводы – это не содержание проделанной работы, а 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 вовремя, не принимается.

9

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, и 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. Чтотакоетехнологиявиртуальныхинструментов?

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

вэтих 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.

ВNI ELVIS используется программное обеспечение, разработанное

всреде LabVIEW, и аппаратура сбора данных NI для создания виртуальной измерительной системы, обладающей функциональными возможностями комплекта привычных измерительных приборов.

10