1. Постановка задачи

При использовании дистанционных форм обучения в технических дисциплинах возникают сложности, связанные с необходимостью изучения принципа действия тех или иных приборов и устройств на реальных физических приборах и макетах. Доступ к ним у обучающихся может отсутствовать. Поэтому необходимо создание виртуальных приборов и устройств, функциональность которых в рамках поставленной задачи приближалась бы к реальным.

При изучении дисциплины «Цифровые измерительные приборы» рассмотренные проблемы касаются создания виртуальных цифровых измерительных устройств [1]. Поэтому целью данной работы являлась разработка учебного стенда для исследования принципа действия универсального цифрового вольтметра.

2. Описание решения

В рамках работы было принято решение реализовать типичный универсальный цифровой вольтметр со следующими характеристиками:

• диапазон измерения напряжения переменного тока: 1 mV - 500 V;

• диапазон измерения напряжения постоянного тока: 0,1 mV - 1000 V;

• предел допустимой основной приведенной погрешности:

- измерения напряжения постоянного тока ±0,1 %;

- измерения напряжения переменного тока ±0,1 %;

• частотный диапазон 0 - 100 kHz. .

Для возможности проведения исследований прибора необходима подача на его вход испытательных сигналов. Для моделирования реальной ситуации было решено разработать генератор испытательных сигналов. При этом подача сигналов на входы вольтметра должна быть реализована путем имитации соединения выходов и входов обоих устройств.

Изучение принципа действия любого устройства или прибора возможно путем наблюдения формы и значений сигналов на выходе отдельных его узлов и блоков. Поэтому необходимо представить внутреннюю структуру вольтметра с возможностью просмотра значений и формы сигналов в некоторых заранее заданных контрольных точках.

Решение этих задач в рамках площади экрана ЭВМ затруднительно. Поэтому было принято решение реализовать учебный стенд на двух вкладках. На первой вкладке были реализованы вольтметр и генератор испытательных сигналов, а на второй - структурная схема вольтметра с необходимыми элементами визуализации и управления.

Передняя панель разработанного виртуального вольтметра (см. рисунок 1) содержит входные клеммы измерительных каналов напряжения постоянного и переменного тока, а также клемму заземления. Выбор используемого измерительного канала осуществляется посредством тумблера, расположенного возле клемм.

Рисунок 1

С целью максимального приближения вольтметра к реально существующим приборам было осуществлено разбиение диапазонов измерений напряжений, поступающих на входы измерительных каналов, на поддиапазоны. Выбор нормирующих значений поддиапазонов основывался на анализе соответствующих значений для реальных приборов.

Для реализации ручного выбора предела измерения на передней панели вольтметра была смоделирована совокупность кнопок выбора поддиапазона измерения. Выбор требуемого предела осуществляется нажатием на соответствующую кнопку, причем одновременно может быть нажата только одна кнопка. Также была реализована возможность автоматического выбора поддиапазона измерения путем нажатия на специальную кнопку (Auto).

Для представления результата измерения было смоделировано светодиодное цифровое отсчетное устройство, состоящее из набора семисегментных индикаторов. Количество разрядов было выбрано исходя из предела допустимой основной приведенной погрешности измерения напряжения. Для указания знака и размерности полученного результата используются специальные индикаторы.

Передняя панель виртуального генератора испытательных сигналов содержит две клеммы для подключения к вольтметру - сигнальную и клемму заземления (см. рисунок 1).

В процессе разработки было предложено использовать следующие типы испытательных сигналов: постоянный (обеих полярностей), синусоидальный, меандр (скважностью 2), треугольный. Выбор данных типов сигналов был обусловлен необходимостью исследования работы обоих измерительных каналов вольтметра. Задание в виртуальном генераторе требуемого испытательного сигнала реализовано путем использования стандартного блока LabVIEW Basic Function Generator [2].

Диапазон возможной установки частоты испытательного сигнала был выбран равным 0-100 kHz. Частота сигнала задается с помощью соответствующей ручки и поля ввода множителя частоты.

Установка амплитуды испытательного сигнала осуществляется с помощью ручек подекадной установки и поля ввода множителя амплитуды. Точность установки амплитуды генератора должна быть выше точности измерения вольтметра. Поэтому значение погрешности установки амплитуды выбрано равным 0,01 %. Диапазон устанавливаемых амплитуд (0,01 mV - 1111 V) соответствовал максимальному диапазону измерения вольтметра (с возможностью получения его переполнения).

Для удобства оператора результирующие установленные значения амплитуды и частоты отображаются на индикаторах, расположенных на передней панели генератора.

Была смоделирована процедура подключения выходных клемм генератора испытательных сигналов к входным клеммам вольтметра. Внешний вид соединительных проводников был реализован с использованием стандартных элементов LabVIEW OK Button, Square LED. Свойства данных элементов для этой цели были соответствующим образом изменены [2]. Были смоделированы все возможные взаимные комбинации соединения клемм вольтметра и генератора, а также особенности подключения приборов, например, короткое замыкание выходных клемм генератора, смена полярности сигнала при инверсном подключении проводников и т.п. Их реализация была выполнена с помощью набора структур Case. При коротком замыкании происходит выдача оператору соответствующего сообщения.

Вторая вкладка виртуального макета предназначена для исследования принципа действия вольтметра по его структурной схеме (см. рисунок 2).

На вкладке представлены: структурная схема, графический и цифровой индикаторы для исследования сигналов в контрольных точках, индикаторы для представления двоичного кода на выходе АЦП и цифровое отсчетное устройство.

Контрольные точки позволяют исследовать сигналы на входе и выходе каждого структурного блока аналоговой части. Выбор контрольной точки осуществляется в поле «Point» указанием на ее номер в соответствующем выпадающем перечне. Каждый из индикаторов (графический и цифровой) имеет собственный перечень контрольных точек. Таким образом, возможно одновременное исследование двух сигналов в различных контрольных точках.

Графический индикатор реализует вывод формы (осциллограммы) сигнала для исследования его особенностей. Цифровой индикатор представляет численное значение амплитуды сигнала.

Для большей наглядности и лучшего понимания работы цифровой части вольтметра было принято решение продублировать цифровое отсчетное устройство на данной вкладке, а также представить двоичный код на выходе АЦП с помощью набора двоичных индикаторов.

Рисунок 2

Работа каждого структурного блока была смоделирована с помощью стандартных элементов LabVIEW. При моделировании были приняты во внимание физические принципы работы блоков (делителей, усилителей, АЦП и т.д.).

Были учтены характерные особенности блоков. Например, для нормирующих усилителей была предусмотрена возможность перехода в режим насыщения. Для АЦП вольтметра была введена поправка, на половину ступени квантования [3]. При поступлении на вход канала постоянного напряжения переменного сигнала происходит моделирование работы вольтметра с соответствующими случайными изменениями результата измерения.

Параметры и режимы работы блоков структурной схемы определяются установками соответствующих органов управления передней панели вольтметра на первой вкладке. Аналогично параметры выходного сигнала генератора испытательных сигналов с первой вкладки передаются на входы структурной схемы на второй вкладке.

Последовательность работы с учебным стендом следующая.

Необходимо включить вольтметр и генератор, нажав на соответствующие включатели их питания (см. рисунок 1). Далее следует установить с помощью органов управления генератора требуемые параметры испытательного сигнала. С помощью органов управления вольтметра следует выбрать соответствующий измерительный канал и поддиапазон измерения. В зависимости от вида напряжения (переменное или постоянное), подлежащего измерению, соединить выходные клеммы генератора с соответствующими входными клеммами вольтметра соединительными проводниками.

При необходимости исследования сигналов в контрольных точках структурной схемы вольтметра следует перейти на вторую вкладку стенда. Затем выбрать требуемые контрольные точки для исследования сигнала на графическом и цифровом индикаторах. В процессе работы возможна смена настроек, установленных на первой вкладке с последующим возвращением на вторую.

После выполнения всех необходимых исследований следует отключить все соединительные проводники, выключить вольтметр и генератор.

Проведенные испытания виртуального макета продемонстрировали следующее:

- функциональность виртуальных устройств близка к реальным приборам;

- метрологические характеристики вольтметра удовлетворяют требованиям, поставленным при его разработке;

- высокая наглядность стенда позволяет исследовать принцип действия вольтметра и отдельных его структурных блоков.

Все это подтверждает возможность использования разработки в дистанционных формах обучения как для теоретического изучения принципа действия вольтметра, так и получения практических навыков, которые могут быть использованы в последующем при работе с реальными приборами.

3. Используемое оборудование и ПО

Для разработки учебного стенда использовалась версия 8.0 LabVIEW.

4. Внедрение и развитие решения

Виртуальный учебный стенд был разработан в рамках курсового проекта по дисциплине «Цифровые измерительные приборы» на кафедре информационно-измерительной техники Национального технического университета Украины «КПИ».

Внедрение виртуального макета будет реализовано в дистанционном курсе «Цифровые измерительные приборы» кафедры информационно-измерительной техники Национального технического университета Украины «КПИ», размещенного на информационных ресурсах Украинского института информационных технологий в образовании в рамках пилотного проекта дистанционного образования по бакалаврскому направлению «Метрология и измерительная техника».

Предполагается дальнейшее развитие решения в виде доработки виртуального макета путем внесения систематических и случайных, аддитивных и мультипликативных погрешностей в отдельные структурные блоки вольтметра.

Это позволит более полно исследовать работу вольтметра, его метрологические характеристики и пути их улучшения, что является важным для подготовки технически грамотных разработчиков приборов.

Список литературы

1. Ю.В. Бобков, В.Д. Циделко Система дистанционного обучения по дисциплине «Цифровые измерительные приборы» // Вища техычна oceiTa: проблеми та перспективи розвитку в контексл Болонського процесу: Тези доповщей VIII л/йжнародноТ науково-методичноТ конференцм» / КиТв. Полггехнка, 2007, С. 187-190.

2. Л.И. Пейч, ДА Точилин, Б.П. Поллак LabVIEW для новичков и специалистов Москва: Горячая линия - Телеком, 2004. 384 с.

3. П.П. Орнатский Теоретические основы информационно-измерительной техники Киев: Вища школа. Головное издательство, 1983. 455 с.