Сарафанов А.В. Компьютерные технологии в приборостроении

Подождите немного. Документ загружается.

1. СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРИБОРОВ И СИСТЕМ

Лабораторная работа № 1 Анализ схемы электрической принципиальной прибора при различных режимах работы



Компьютерные технологии в приборостроении. Лаб. практикум -11-

результатов лабораторных исследований (схема и описание выбранной мето-

дики, электрическая эквивалентная схема замещения ПС, результаты моде-

лирования, в том числе и повторного, матрица относительных функций па-

раметрической чувствительности, выходных характеристик ПС к изменению

параметров ЭРЭ, таблица с коэффициентами электрической нагрузки ЭРЭ

для всех режимов работы). На основе матрицы относительных ФПЧ должен

быть сделан вывод о наиболее влияемых параметрах на выходн

ые характе-

ристики, а на основе рассчитанных коэффициентов электрической нагрузки

ЭРЭ должен быть сделан вывод о правильности выбора элементной базы.

1. Какую структуру имеет модель выпрямительного диода в си

стеме

OrCAD?

2. Каким образом описывается в системе OrCAD модель резистора или

конденсатора для ВЧ-диапазона?

2. Как в описании параметров ЭРЭ в системе OrCAD можно учесть

технологи

ческий разброс определенного параметра?

3. Каким образом в параметрах ЭРЭ в системе OrCAD учитываются

температурные воздействия?

4. Какие основные параметры задаются при исследовании схемы ПС во

временной области?

5. Что позволяет определить ФПЧ в процессе исследования электриче-

ских схем ПС на ПЭВМ?

6. Какие существуют основные методы расчета ФПЧ?

№

Целью лабораторной работы является закрепление теоретических зна-

ний в области методов макромоделирования электрических характери-

стик ПС.

К за

дачам лабораторной работы относятся:

• освоение методов макромоделирования ПС на примере исследова-

ний электрических характеристик ПС;

• приобретение навыков выполнения проектных задач в области схе-

мотехнического анализ

а при помощи стандартных средств компьютерного

проектирования.

1. СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРИБОРОВ И СИСТЕМ

Лабораторная работа № 2 Разработка макромодели функционального узла прибора



Компьютерные технологии в приборостроении. Лаб. практикум -12-

Подробн

ые сведения о методах построения макромоделей отдельных

функциональных узлов электрической части приборов излагается в [4

; 21].

Принципы работы с системой схемотехнического проектирования

электронных схем приборов OrCAD изложены в [4

; 5].

В к

ачестве задания преподавателем выдается студенту схема электри-

ческая принципиальная функционального узла или прибора в целом и описа-

ние его принципа работы.

1. При по

мощи системы схемотехнического проектирования OrCAD

сформировать эквивалентную схему замещения схемы электрической прин-

ципиальной функционального узла или прибора в целом.

2. Сред

ствами системы OrCAD выполнить анализ разработанной экви-

валентной схемы с целью получения функциональной характеристики иссле-

дуемого узла или прибора в целом.

3. На основе одного из методов макромоделирования разработать мак-

ромодель схемы электрической принципиальной функционального узла или

прибора в целом.

4. При помощи системы схемотехн

ического проектирования OrCAD

сформировать эквивалентную схему замещения макромодели и описание ее

параметров.

5. Средствами системы OrCAD выполнить анализ разработанной схемы

на предмет построения функциональной характеристики (или ее фрагмента)

исследуемого узла или прибора в целом, которой соответствует разработан-

ная макромодель.

6. Выполнить сравнение функциональной характеристики (или ее

фрагмента), полученной в результате моделирования на основе макромодели,

с функциональной характеристикой, полученной на базе полной модели

функционального узла ил

и прибора в целом.

7. В случае расхождения результатов сравнения выработать предложе-

ния по корректировке макромодели и выполнить повторное ее исследование

на ПЭВМ.

Отчет должен быть подготовлен в виде файла, сформированного в ре-

дакторе MS Word, и содержать следующие обязательные разделы: цель и за-

дачи лабораторной работы, задание для выполнения лабораторной работы,

1. СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРИБОРОВ И СИСТЕМ

Лабораторная работа № 2 Разработка макромодели функционального узла прибора



Компьютерные технологии в приборостроении. Лаб. практикум -13-

краткую информацию о порядке выполнения лабораторной работы, описание

результатов лабораторных исследований (эквивалентная схема замещения

функционального узла или прибора в целом и ее описание, результаты ис-

следования схемы на ПЭВМ, эквивалентная схема замещения макромодели и

ее описание, результаты исследования макромодели).

1. Для чег

о применяются макромодели в ПС?

2. Какие методы макромоделирования используются для разработки

макромоделей?

3. Каким образом применяется аппарат теории чувствительности при

разработке макромоделей?

4. Какие подходы используются в методе упрощения полной модели

для разработки макромодели?

5. Какие свойства структурн

ых моделей в виде направленных графов

используются при разработке макромоделей?



Компьютерные технологии в приборостроении. Лаб. практикум -14-

№

Целью лабораторной работы является освоение компьютерных измери-

тельных технологий, используемых в приборостроении.

К основным зад

ачам лабораторной работы относятся:

• знакомство со структурой и принципами функционирования аппа-

ратно-программных комплексов (АПК) [7

; 8], работающих в сетевом режиме

и разработанных с применением технологий National Instruments [9

];

• приобретение навыков работы с АПК в части проведения измерений

средствами виртуальных измерительных приборов в режиме удаленного дос-

тупа.

Основные сведения о продук

ции корпорации National Instruments из-

ложены в [6

]. Данные об автоматизации физических исследований на базе

измерительных компьютерных технологий приведены в [9

Компьютерные измерительные технологии

National Instruments

Приборы, предназначенные для автоматизации физических исследо-

ваний и экспериментов в режиме удаленного доступа, основываются на

концепции компьютерных измерений, реализуемой с помощью компьютер-

ных измерительных технологий [21

]. Компьютерные измерения и приборы

отличаются от традиционных использованием ПЭВМ как элемента измери-

тельной цепи на всех этапах сбора, обработки, отображения и сохранения

измерительной информации. Их преимущества заключаются в многофунк-

циональности, определяемой измерительным программным обеспечением

(ПО), и минимально необходимом и унифицированном аппаратном обеспе-

чении. С помощью средств аппаратного обеспечения осуществляется сбор

данных с исследуемого объ

екта и ввод-вывод данных в ПЭВМ, поэтому их

называют устройствами сбора данных (УСД). Аппаратными средствами

сбора данных в значительной степени определяются технические характе-

2. РАЗРАБОТКА ВИРТУАЛЬНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

Лабораторная работа № 3 Знакомство с приборами, разработанными с применением технологий National Instruments



Компьютерные технологии в приборостроении. Лаб. практикум -15-

ристики компьютерных измерительных приборов и систем. АПК, вклю-

чающий ПЭВМ и УСД, совместно с ПО образует автоматизированную сис-

тему сбора и обработки данных (АССОД). Общая структура аппаратного

обеспечения измерительного комплекса на базе ПЭВМ с одним подключен-

ным к нему объектом исследования приведена на рис. 2.1

Устройство сбора данных в системе минимальной конфигурации

включает синхронизируемые каналы аналогового и цифрового ввода-

вывода сигналов (АI, АО, DIO), которые с помощью встроенных или внеш-

них измерительных датчиков, исполнительных устройств и интерфейсных

средств сопрягаются с одним или группой исследуемых объектов и ПЭВМ.

Устройства сбора данных могут различаться числом и структурой каналов,

конструкцией и количеством образующих их модулей, использ

уемым циф-

ровым интерфейсом и техническими характеристиками. Ввод и вывод анало-

говых сигналов в УСД основывается на их АЦП и ЦАП.

Рис. 2.1. Структура аппаратного обеспечения компьютерных измерительных систем

Каналы ввода аналоговых сигналов могут содержать как собственные

АЦП, так и один общий для всех каналов мультиплексируемый АЦП. АЦП

осуществляются выборки входного сигнала в дискретные равноотстоящие

моменты времени с частотой дискретизации f

да

и преобразование их в по-

следовательности цифровых кодов, вводимых в ПЭВМ. По цифровым кодам

АЦП с помощью измерительной программы вычисляются соответствующие

им значения напряжения или тока.

Каналы вывода аналоговых сигналов содержат ЦАП, которые преоб-

разуют поступающие на них с ПЭВМ с частотой дискретизации вывода f

дс

последовательности цифровых кодов в аналоговые тестовые сигналы.

По каналам цифрового ввода-вывода УСД с ПЭВМ выводятся сигна-

лы управления исследуемым объектом.

Создание измерительных систем на базе ПЭВМ (измерительных при-

боров, измерительных комплексов, автоматизированных систем сбора и об-

DIO

Каналы ввода аналоговых

сигналов (каналы ЦАП)

Каналы ввода-вывода

цифровых сигналов

Исследуемый объект,

например, автоматизированный

лабораторный макет (АЛМ)

Каналы вывода

аналоговых сигналов

(каналы ЦАП)

….

Интерфейс

ПЭВМ

УСД

….

Устройство синхронизации

и управления

2. РАЗРАБОТКА ВИРТУАЛЬНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

Лабораторная работа № 3 Знакомство с приборами, разработанными с применением технологий National Instruments



Компьютерные технологии в приборостроении. Лаб. практикум -16-

работки данных) связано с решением широкого круга задач, включающих

разработку:

• конфигурации (архитектуры) системы;

• аппаратного обеспечения – устройства сбора данных и его про-

граммного обеспечения (драйверов);

• алгоритмов измерения, соответствующих реализуемым измеритель-

ным функциям, и их отладку (моделирование);

• измерительного программного обеспечения;

• виртуальных лицевых панелей управления и отображения;

• сопряжения аппа

ратного и программного обеспечения;

• сетевого программного обеспечения при создании систем с удален-

ным доступом.

С учетом сложности и трудоемкости этих задач корпорацией National

Instruments (NI, США) были разработаны технологии их комплексного и

эффективного решения, получившие название компьютерных измеритель-

ных технологий NI. Технологии NI охватывают вопросы разработки аппа-

ратного, алгоритмического и программного обеспечения изме

рительных

систем на базе ПЭВМ, а также автоматизации их проектирования

[http://www.ni.com/

Технологией NI унифицированы и стандартизированы архитектуры

измерительных систем на базе ПЭВМ. Это системы, использующие мо-

дульные УСД, одноплатные УСД, одноплатные модульные приборы и авто-

номные PXI-системы.

К системам, использующим модульные УСД, относятся VXI-системы,

реализуемые в стандартном крейте со встроенным контроллером крейта, и

модульные SCC-, SCXI- и USB- (CompactDAQ) системы. Они состоят из

внешнего блока модулей нормализации сигналов и с

опряжения с объектом

и одноплатного модуля аналогового и цифрового ввода-вывода, который

встраивается в ПЭВМ или подключается к ПЭВМ через внешний USB-порт.

Одноплатные системы строятся на основе плат аналогового ввода,

аналогового вывода, цифрового ввода-вывода, многофункциональных плат

сбора данных или специализированных одноплатных модульных пр

ибо-

ров – генераторов сигналов, осциллографов, мультиметров и др., – которые

устанавливаются на внутреннюю шину PCI или PCI-express или подключа-

ются извне через последовательный USB-порт.

Высокопроизводительные PXI-системы строятся на базе собственного

промышленного компьютера и обеспечивают высокочастотные измерения и

обработку данных в реальном времени. Такие системы являются достаточно

дорогостоящими.

Корпорацией NI создан (и по

стоянно обновляется) широкий спектр

высокоточных технических средств сбора данных для систем различной

конфигурации, удовлетворяющих большинству реальных приложений и ис-

ключающих необходимость проведения собственной разработки или ис-

2. РАЗРАБОТКА ВИРТУАЛЬНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

Лабораторная работа № 3 Знакомство с приборами, разработанными с применением технологий National Instruments



Компьютерные технологии в приборостроении. Лаб. практикум -17-

пользования средств разных производителей, не отвечающих в ряде случаев

технологиям NI.

Вид некоторых устройств и модулей NI показан на рис. 2.2

По техническим и экономическим показателям АПК, описанным в

; 8], отвечают одноплатные многофункциональные устройства (платы)

сбора данных. Примерами их являются PCI-платы сбора данных серии М и

USB-устройства, технические характеристики которых приведены в табл.

2.1.

а б

Рис. 2.2. Внешний вид некоторых устройств и модулей NI:

а – платы сбора данных серии М; б – модули PXI; в – шасси PXI

2. РАЗРАБОТКА ВИРТУАЛЬНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

Лабораторная работа № 3 Знакомство с приборами, разработанными с применением технологий National Instruments



Компьютерные технологии в приборостроении. Лаб. практикум -18-

Таблица 2.1

Технические характеристики PCI-плат сбора данных

серии М и USB-устройств

Тип

платы

сбора

данных NI

Число каналов

Диапазон

аналого-

вого

ввода-

вывода, В

Разрядность

бит

Макс. скорость,

выборка/с

анало-

гового

ввода

анало-

гового

вывода

цифро-

вых

ввода-

вывода

АЦП

ЦАП

анало-

гового

ввода

анало-

гового

вывода

PCI-6221M 16/8 2 24 ±10 16 16 250 тыс. 833 тыс.

PCI-6289M 32/16 4 48 ±10 18 16 625 тыс. 2,8 млн

PCI-6251M 16/8 2 24 ±10 16 16 1,25 млн 2,8 млн

USB-6211 16/8 2 4 ±10 16 16 250 тыс. 250 тыс.

USB-6009 8/4 2 12 ±20 14 12 48 тыс. 150 тыс.

USB-6221 16/8 2 24 ±10 16 16 250 тыс. 833 тыс.

USB-6259 32/16 4 48 ±10 16 16 1,25 млн 2,8 млн

Развернутая обобщенная структура многофункциональной платы сбора

данных приведена на рис. 2.3

Рис. 2.3. Развернутая обобщенная структура многофункциональной платы сбора данных

К шине

PCI ПК

внутр.

….

AI0

Интерфейс PCI

AI15

АМП

ПУ УВХ АЦП БЗУ1

УУК1

Устройство запуска 1

Узел синхронизации

ОГ ПДЧ1 Т

ПДЧ2

УЗ 2

УУК2

ФНЧ1

ПА1

ЦАП1

РД1 БЗУ2

Каналы ци

фр

ового ввода-вывода

•

ФНЧ2

ПА2

ЦАП2

РД2

Синхр.

внеш.

Синхр.

внутр.

Вход

импульсный

AО0

AО1

DIO (0

–

2. РАЗРАБОТКА ВИРТУАЛЬНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

Лабораторная работа № 3 Знакомство с приборами, разработанными с применением технологий National Instruments



Компьютерные технологии в приборостроении. Лаб. практикум -19-

Каналы аналогового ввода платы AI0–I15 включают аналоговый муль-

типлексор (АМП) на 16 входов, печатный узел (ПУ), устройство выборки-

хранения (УВХ), аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) и буферное

запоминающее устройство (БЗУ) типа FIFO (БЗУ1). Два канала вывода ана-

логовых сигналов AO0, AO1 содержат общее для обоих каналов БЗУ2 и

идентичные в обоих каналах регистры данных (РД1, РД2), цифроаналоговые

преобразователи (ЦАП1, ЦАП2), программируемые аттенюаторы (ПА1,

ПА2) и фильтры нижних частот (ФНЧ1, ФНЧ2).

К устройствам управления и

синхронизации на функциональной схеме относятся узел внешней и внут-

ренней синхронизации ввода, устройства управления каналами ввода (УУК1)

и вывода (УУК2), опорный генератор (ОГ), программируемый делитель час-

тоты дискретизации f

да

вводимых сигналов (ПДЧ1) и программируемый де-

литель частоты дискретизации f

дс

выводимых сигналов (ПДЧ2). На схеме по-

казаны также программируемый таймер (Т), 8-битовый канал ввода-вывода

цифровых сигналов DIO0–DIO7 и устройство сопряжения с шиной РСI (ин-

терфейс РСI).

Ввод аналоговых сигналов в ПК осуществляется путем преобразования

их из аналоговой формы в цифровую с помощью общего для всех каналов

ввода 16-разрядного АЦП, а формирование вы

водимых аналоговых сигна-

лов – путем преобразования в аналоговую форму цифровых сигналов ПЭВМ

с помощью двух 16-разрядных ЦАП каналов вывода. С помощью ПА осуще-

ствляется управление амплитудой выводимых сигналов, а с помощью ПУ

обеспечивается необходимое усиление вводимых аналоговых сигналов. По

линиям цифрового вывода из ПЭВМ выводятся коды управления исследуе-

мым объектом.

Принципиальным отличием и преимуществом технолог

ии NI является

наличие созданной корпорацией среды графического программирования

виртуальных инструментов LabVIEW [9

], обеспечивающей автоматизацию

проектирования измерительных систем на базе ПЭВМ. Система LabVIEW

отвечает принципу «программирование без программирования» и доступна

для освоения и самостоятельного применения разработчиками измеритель-

ных систем. Программирование в LabVIEW осуществляется на уровне блок-

диаграмм и виртуальных лицевых панелей приборов. Любая программа в

LabVIEW называется виртуальным инструментом или виртуальным прибо-

ром. С помо

щью библиотеки драйверов устройств сбора данных, совмести-

мых с LabVIEW, осуществляется их автоматическое сопряжение с измери-

тельным ПО. Среда LabVIEW является также мощным программным сред-

ством моделирования алгоритмов измерения и их отладки. Она включает

обширную библиотеку стандартных функций и модулей, реализующих ба-

зовые алгоритмы цифровой обработки сигналов и измерения параметров

сигналов и ха

рактеристик объектов, а также готовые средства для проведе-

ния стандартных измерений, не требующие программирования (среда NI

Signal Express). Система LabVIEW генерирует коды программ, не уступаю-

щие по скорости обработки кодам, получаемым на основе алгоритмических

языков высокого уровня. Применение системы LabVIEW существенно сни-

2. РАЗРАБОТКА ВИРТУАЛЬНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

Лабораторная работа № 3 Знакомство с приборами, разработанными с применением технологий National Instruments



Компьютерные технологии в приборостроении. Лаб. практикум -20-

жает трудоемкость и сокращает сроки разработки измерительных систем,

чем и мотивировалось ее создание. Она содержит также программные сред-

ства разработки измерительных систем с удаленным доступом с использо-

ванием стандартных протоколов обмена данными в сетях Internet/Intranet.

Рис. 2.4. Программа LabVIEW: блок-диаграмма (а)

и лицевая панель (б) генератора линейно нарастающего сигнала