1. Введение

Дисциплина «Радиотехнические цепи и сигналы» является одной из базовых и входит в учебную программу многих специальностей в области радиотехники и телекоммуникаций. На сегодняшний день, в силу физической устарелости и выхода из строя ряда измерительных приборов и лабораторных макетов, большая часть работ практикума этой дисциплины (а также ряда других дисциплин) выполняются только на основе программных моделей.

Как известно, моральная и физическая устарелость приборного парка лабораторий ВУЗов является одной из основных проблем в сфере инженерного образования. Подходом, ставшим сегодня традиционным, при решении подобных задач является использование виртуальных измерительных технологий National Instruments. Помимо модернизации лабораторного оборудования использование этих технологий позволяет создавать автоматизированные измерительные системы практически любой сложности и производительности, а также осуществлять интеграцию этих систем с телекоммуникационными сетями, обеспечивая возможность дистанционного управления реальными физическим объектами.

В работе ставится задача перевода лабораторного практикума по курсу «Радиотехнические цепи и сигналы» на современную аппаратную базу и обеспечения возможности дистанционного выполнения лабораторных работ.

Создание дистанционного лабораторного практикума выполнялось с целью расширения лабораторной базы системы автоматизированных дистанционных лабораторий по общетехническим инженерным дисциплинам. Эти работы ведутся в Центре дистанционных автоматизированных учебных лабораторий КГТУ имени А.Н. Туполева.

2. Автоматизированная измерительная система на базе Nl ELVIS

В дистанционный лабораторный практикум вошли следующие работы:

1. «Прохождение детерминированных сигналов через линейные цепи» - изучение спектрального метода анализа передачи детерминированных сигналов через линейные цепи и особенностей прохождения управляющих детерминированных сигналов через типовые радиотехнические цепи;

2. «Прохождение модулированных сигналов через цепи» - исследование искажений амплитудно-модулированных сигналов с огибающей различных форм при прохождении через однокаскадный избирательный усилитель;

3. «Амплитудная модуляция» - изучение принципов формирования АМ- сигналов и процессов, происходящих в амплитудном модуляторе;

4. «Детектирование амплитудно-модулированных колебаний» - исследование процессов, происходящих при детектировании амплитудно-модулированных колебаний.

Структурная схема автоматизированной измерительной системы лабораторного практикума приведена на рис.1. Основными компонентами являются:

1) измерительная лабораторная станция Nl ELVIS;

2) многоканальное устройство ввода-вывода аналоговых и цифровых сигналов, подключаемое к ПК;

3) печатные платы с набором исследуемых схем, устанавливаемые на макетном поле NI ELVIS.

Рис. 1 Структурная схема автоматизированной измерительной системы лабораторного практикума (АК - аналоговый коммутатор)

Выполнение лабораторных работ может осуществляться в двух режимах: дистанционно и локально.

Так как каждая лабораторная работа может содержать до четырех исследуемых схем, то для автоматизации четырех работ необходимо использование четырех каналов ЦАП и до шестнадцати каналов АЦП. Однако, согласно методике, работа с исследуемыми схемами при выполнении экспериментов осуществляется всегда только последовательно во времени. Таким образом, с целью сокращения необходимого числа измерительных каналов их подключение к исследуемым схемам осуществляется посредством аналогового коммутатора АК2. Для формирования сигналов входных воздействий вместо четырех может использоваться только один канал ЦАП. В этом случае использование коммутатора АК1 позволяет исключить взаимное влияние схем друг на друга. Аналоговые коммутаторы размещаются непосредственно на наборном поле макета, как показано на рис.2.

Рис. 2. Расположение исследуемых схем на наборном поле станции NI ELVIS 1 - аналоговые коммутаторы; 2 - печатные платы с набором исследуемых схем

При локальном выполнении лабораторных работ для формирования входных воздействий может использоваться встроенный функциональный генератор станции Nl ELVIS. При этом отпадает необходимость в использовании коммутаторов, так как все соединения выполняются студентом вручную. Встроенные измерительные приборы станции Nl ELVIS в дальнейшем могут быть использованы для тестировании и наладки исследуемых схем.

3. Программное обеспечение

В дополнении к виртуальным измерительным приборам, входящим в состав базового программного обеспечения (ПО) Nl ELVIS, было разработано дополнительное ПО, позволяющее повысить степень автоматизации лабораторного практикума (структурная схема представлена на рис.3). Это ПО имеет двухуровневую архитектуру, состоящую из измерительной и клиентской частей. Для организации их совместной работы используется механизм синхронной передачи данных Notifier, являющийся элементом среды LabVIEW.

Рис.3. Структурная схема программного обеспечения для локального выполнения лабораторных работ (ВГ - виртуальные генераторы; ВИП - виртуальные измерительные приборы; ПТ - программный таймер)

Рис. 4. Программный код клиентского приложения

Для дистанционного доступа и управления лабораторными экспериментами через телекоммуникационные сети используется ранее созданная в КГТУ им. А.Н. Туполева система дистанционного управления [1]. ПО этой системы имеет трехуровневую архитектуру, компонентами которой являются:

1) ПО главного сервера;

2) ПО измерительного сервера;

3) ПО удаленного пользователя Distant Lab [1].

В отличии от дистанционной лаборатории по курсу «Электроника» [2], измерительная система практикума «Радиотехнические цепи и сигналы» реализована на базе измерительной станции Nl ELVIS, что обусловило необходимость доработки программного кода измерительного сервера, непосредственно управляющего измерительным процессом.

В пользовательском ПО Distant Lab, служащем для дистанционного выполнения реальных лабораторных работ, расширена библиотека виртуальных приборов. Общее количество приборов составляет 7, из них 4 - генераторы сигналов, 3 -измерительные приборы, как показано в таблице 1.

Виртуальные измерительные приборы, доступные в среде Distant Lab

Функциональный генератор позволяет сформировать шесть типов сигналов:

1) гармонический;

2) треугольной формы;

3) прямоугольной формы (меандр);

4) пилообразной формы;

5) ЛЧМ - сигнал;

6) постоянное напряжение.

В среде Distant Lab доступно 2 генератора данного типа.

Генератор опорного напряжения.

Генератор тока. Используется в работах по исследованию полупроводниковых приборов.

Генератор амплитудно-модулированного сигнала. Используется в ряде работ лабораторного практикума «Радиотехнические цепи и сигналы».

Четырехканальный осциллограф. Обеспечивается возможность регулировки коэффициента усиления по каждому измерительному каналу в отдельности, развертки, синхронизации, возможно подключение внешнего сигнала развертки.

Характериограф. Служит для построения частотных характеристик (АЧХ, ФЧХ).

Двухканальный спектроанализатор.

Примеры собранной исследуемой схемы в среде Distant Lab показан на рис. 5.

Рис. 5. Примеры выполнения лабораторных экспериментов в среде Distant Lab

4. Оборудование

В процессе решения поставленной задачи используется следующее измерительное оборудование:

1) лабораторная измерительная станция NI ELVIS; -

2) плата ввода/вывода NI-PCI-6251.

Разработка всех программных приложений осуществлялась в среде LabVIEW.

5. Внедрение и развитие решения

Созданный дистанционный лабораторный практикум внедряется в учебный процесс на кафедре Радиоэлектроники и информационно-измерительной техники КГТУ им. А.Н. Туполева. В настоящее время ведутся работы по созданию третьего дистанционного практикума по курсу «Основы теории цепей».

Список литературы

1. Руководство пользователя Distant Lab 1.0: http://www.kai.ru/univer/LabVIEW/distant/manual/

2. Евдокимов Ю.К., Кирсанов А.Ю. Трибунских А.В. Автоматизированная дистанционная лаборатория по курсу «Электроника»: алгоритмическое и аппаратное обеспечение, методическая поддержка. // Сборник трудов Международной научно- практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments». Москва, Россия. 18-19 ноября, 2005.-С. 31-38.