CC BY
153
= 46
Энергобезопасность и энергосбережение
НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ И НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ОБРАЗОВАНИЯ
УДК 378.147.88:621.31+004.418
Применение и адаптация в учебном процессе виртуальных лабораторных работ по электронике
Н. В. Белов,
кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедры электротехники и электроники МИЭЭ Д. В. Жматов,
аспирант, преподаватель кафедры вычислительной техники и программирования МГОУ
Данная статья является продолжением темы о применении виртуальных лабораторных работ в учебном процессе. Лабораторные работы по электронике «Исследование операционного усилителя в линейном и нелинейном режиме» сделаны с помощью пакетов прикладных программ ElectronicsWorkbench (Multisim) и LabVIEW и могут выполняться студентами на компьютере самостоятельно при отсутствии лабораторной базы, например, при дистанционном обучении.
Ключевые слова: виртуальная лабораторная работа, LabVIEW, комбинационное моделирование, дидактический принцип.
Модельный эксперимент по своей сути даёт те же результаты, которые можно получить и на лабораторном стенде. Это реализуется благодаря нескольким принципам при формировании имитационной модели:
- принцип соответствия модельного и реального эксперимента;
- принцип интерактивности, наглядности;
- принцип дружественного интерфейса пользователя [1].
0ЫЕ ОУ ОСЦ а
о 4 Чех о;
ГС иеых
Рис. 2. Схема виртуальной лабораторной работы, реализованная в программном пакете ElectronicsWorkbench
Рис. 1. Схема стендовой лабораторной работы
Рассмотрим лабораторную работу по электронике «Операционный усилитель в линейном режиме», схема которой приведена на рис. 1.
Следует заметить, что лабораторные работы по электронике обладают пониженной наглядностью, так как являются лишь схемотехническим отражением реальных объектов.
Стендовая схема лабораторной работы достаточно проста. Она включает в себя звуковой генератор (ЗГ), двухлучевой осциллограф (ОСЦ) и операционный усилитель (ОУ), который выполнен на интегральной схеме и имеет фиксированные параметры. Конечно, можно собрать усилитель с регулируемыми параметрами, однако это существенно удорожает лабораторное оборудование. Лабораторная работа позволяет снимать ампли-
тудную, амплитудно-частотную характеристики усилителя и наблюдать на экране осциллографа кривые входного и выходного напряжений.
Компьютерный вариант, реализованный в пакете ElectronicsWorkbench [2], в схемном отношении также достаточно прост (рис. 2).
Он позволяет использовать встроенный генератор синусоидальных сигналов (ГС) с изменяемой амплитудой и частотой и цифровой двухлучевой осциллограф (ОСЦ), измеряющий мгновенные значения токов и напряжений, а также временные параметры в цифровом виде.
Если дополнить схему графопостроителем, который имеется в программе, то характеристики усилителя появляются в реальном времени процесса измерений.
В компьютерном исполнении появляется возможность собрать усилитель непосредственно на экране из элементов, имеющихся в библиотеке программы. В данном варианте используется один из типов операционных усилителей с обратными связями.
Компьютерная виртуальная модель лабораторной работы операционного усилителя в программной среде LabVIEW обладает повышенной визуализацией и позволяет на экране проводить те же
неивиивии
Научно-методические проблемы и новые технологии образования
47 =
Рис. 3. Имитационная модель лабораторной работы «ОУ в линейном режиме», реализованная с помощью среды11лЬУ
действия с оборудованием, что и на реальном стенде. Имитационная модель лабораторной работы «ОУ в линейном режиме» приведена на рис. 3.
При небольшой трансформации помимо линейного режима работы ОУ можно осуществить работу в нелинейном режиме. Имитационные модели представлены на рис. 4 и 5. Целью работы в этом случае являются изучение принципов работы и исследование характеристик компаратора, триггера Шмитта, симметричного и несимметричного мультивибратора, собранных на операционном усилителе. На рис. 4 приведена модель работы ОУ в нелинейном режиме в качестве компаратора, а на рис. 5 симметричного мультивибратора.
Рис. 4. Имитационная модель лабораторной работыI «ОУ в режиме компаратора»
Данные модели выполнены в программной среде LabVIEW, в основе которой лежит комбинированное моделирование, включающее аналитическое, имитационное и натурное.
Рис. 5. Имитационная модель лабораторной работыI «ОУ в режиме симметричного мультивибратора»
Для аналитического моделирования, как правило, характерно то,что алгоритм функционирования системы записывается в виде некоторых аналитических соотношений (алгебраических, интегрально-дифференциальных, конечно-разностных и т. п.) или логических условий. При имитационном моделировании алгоритм функционирования системы воспроизводится во времени с сохранением логической структуры и последовательности протекания элементарных явлений, составляющих процесс. В настоящее время имитационное моделирование - наиболее эффективный метод исследования систем, а часто и единственный практически доступный метод получения информации о поведении системы, особенно на этапе её проектирования [3]. В свою очередь, натурное моделирование основано на исследовании реального объекта с помощью вмешательства человека-эксперта в процесс проведения лабораторного эксперимента и последующей обработки результатов эксперимента на ЭВМ.
LabVIEW является открытой системой программирования, имеет поддержку всех применяемых в настоящее время технологий, таких как Win32 DLL, COM, .NET, DDE, сетевых протоколов на базе TCP/IP, DataSocket и др. Также в LabVIEW входят различные библиотеки управления аппаратными средствами и интерфейсами, такими как PCI, CompactPCI/PXI, VME, VXI, GPIB, PLC, VISA, системами технического зрения и др. Программное обеспечение, созданное с использованием среды LabVIEW, может быть сопряжено с фрагментами, разработанными на традиционных (текстовых) языках программирования: C++, Pascal, Basic, FORTRAN. Таким образом, LabVIEW позволяет разрабатывать любые приложения, взаимодействующие с различными аппаратными средствами, поддерживаемые распространенными операционными системами. Используя технологию виртуальных приборов, инженер-разработчик (с помощью набора контрольно-измерительного оборудования, например, плат сбора данных) может превратить имитационную модель в автоматизированный многофункциональный измерительный аппаратно-программный комплекс [3].
ШШМВШ
= 48
Энергобезопасность и энергосбережение
Анализируя лабораторные работы по электронике, можно уверенно сказать, что здесь компьютерное моделирование обладает рядом неоспоримых преимуществ.
Рассмотренные в настоящей статье виртуальные имитационные лабораторные модели имеют ряд ощутимых преимуществ по сравнению с реальными лабораторными экспериментальными стендами, в первую очередь это функция отработки различного рода ситуаций, в том числе «невозможных» аварийных. Этого нельзя достичь на реальном лабораторном стенде, так как возможен выход из строя основных функциональных блоков стенда в целом.
В своём роде пониженный уровень наглядности уравнивает виртуальные и стендовые лаборатор-
ные работы, а интерактивность сохраняется в любом варианте проведения лабораторной работы. Вследствие этого сохраняется дидактический принцип наглядности и интерактивности объектов модельного эксперимента, а именно повышение чувственного восприятия изучаемых объектов и моделей, представленных в виде натурных схем и рисунков.
Таким образом, при создании моделей в среде графического программирования LabVIEW на выходе мы получаем имитационный виртуальный прибор, который можно использовать как в лабораторном эксперименте, так и при разработке более сложных программных модулей.
Литература
1. Белов Н. В., Жматов Д. В. Применение и адаптация в учебном процессе виртуальных лабораторных работ по электротехнике // Энергобезопасность и энергосбережение. - М.: ПТФ-МИЭЭ. - 2010. - № 3. - С. 38-39.
2. Белов Н. В. Виртуальная лаборатория электротехники и электроники: Учебно-метод. пособие по использованию программы моделирования электрических и электронных устройств «ElectronicsWorkbench 5.12». - М.: МИЭЭ, 2008.
3. Виноградова Н. А., Листратов Я. И., Свиридов Е. В. Разработка прикладного программного обеспечения в среде LabVIEW: Учебное пособие. - М.: Изд-во МЭИ, 2005.
Application and adaptation of virtual labs for electronics in the learning process N. V. Belov,
Ph.D., Associate Professor, Head of the Department of Electrical and Electronics of MIEE D. V. Zhmatov,
postgraduate student, lecturer in computer engineering and programming of MGOU
This article is a continuation of a conversation about the use of virtual labs in the educational process. Laboratory work on electronics, "Investigation of the operational amplifier in the linear and nonlinear regime" were made using software packages ElectronicsWorkbench (Multisim) and LabVIEW and can be run by students on the computer itself in the absence of laboratory facilities such as distance learning.
Keywords: virtual lab, LabVIEW, modelling, didactic principles.
неивиивии
