Виртуальный эксперимент обладает возможностями, которые исключаются в реальном: моделирование аварийных режимов работы; замедление или ускорение процессов в электрических цепях и электротехнических устройствах, поэтапное выполнение операций, что способствует более глубокому их пониманию.
Ключевые слова : Electronics Workbench (Multisim), LabVIEW, Proteus.
Введение
Лабораторный практикум является одной из основных компонент усвоения дисциплин физики и электроники, приема, обработки и передачи данных. Реальный лабораторный практикум ограничен материальной базой и жестким временным графиком выполнения работы.
Поддержка реального физического практикума современными информационными технологиями позволяет компенсировать эти недостатки и полновесно изучить дисциплин электроники и физики, приема и обработки данных.
При этом необходимо разумное сочетание изучения реальных объектов практикума и их моделей. Поэтому актуальным является вопрос, как наиболее эффективно применять информационные технологии в учебном процессе, в частности, программ Electronics Workbench (Multisim), LabVIEW, Proteus. На наш взгляд, создание виртуальных лабораторных практикумов по вышеуказанным дисциплинам и использование их при изучении материала является актуальной задачей.
Изучение материалов с использованием компьютерных технологий окажет практическую помощь преподавателям в проведении занятий по вышеназванным курсам. В традиционном лабораторном практикуме процесс познания требует неразрывной связи теоретического анализа, практических расчетов и экспериментальных исследований.
Основная цель лабораторных работ по электронике, по приему и обработки данных — углубление и закрепление теоретических знаний, приобретенных студентами на лекциях и при самостоятельной работе, а также приобретение навыков экспериментальных исследований. Кроме того, при выполнении лабораторных работ студенты знакомятся с методами математической обработки результатов измерений.
При всех достоинствах существующих практикумов проведения лабораторных работ в учебных заведениях (стенды и приборы позволяют проводить лабораторные работы по изучению и исследованию элементов, узлов и устройств физики, электронной аналоговой и цифровой техники) имеются проблемы, которые в силу объективных и субъективных трудностей практической реализации решаются сегодня только частично. Перечисленные замечания ставит вопрос поиска альтернативных методических направлений обучения физическим и электронным дисциплинам.
Одно из таких направлений — создание виртуальной лаборатории по электронике, по приему и обработки данных, где новейшие компьютерные технологии позволяют смоделировать на компьютере самую современную электронную лабораторию с уникальными приборами, которыми оснащены далеко не все реальные лаборатории. На этом этапе виртуальная среда создает все условия для организации и проведения экспериментов с широким спектром электрических и электронных схем.
Наличие современного приборного парка в программах (Electronics Workbench (Multisim), LabVIEW, Proteus.) предоставляет в распоряжение преподавателей и студентов уникальные возможности для планирования и проведения широкого спектра экспериментов: от простейших опытов до исследования реальных физических и электронных устройств. Такой инструмент является идеальным средством обучения студентов, так как позволяет снять практически все ограничения, касающиеся элементной базы и приборного парка. Снимаются и все проблемы, связанные с возможностью некорректных действий студентов при работе со стендами.
При условии доступа к компьютеру студент может обучаться в любом месте и в любое время. Компьютерное моделирование развивает мышление студентов, развивает самостоятельные формы обучения.
На начальном этапе изучения основ электроники при сборке и испытании схем базовых узлов и исследовании влияния параметров компонентов на получаемые характеристики устройств удобны библиотеки виртуальных компонентов, выводимые в инструментальную линейку после щелчка мышью на кнопке меню Вставить , выбора опции Компонент ищелчка мышью на закладках Virtual. На закладках Virtual размещены следующие виртуальные библиотеки и входящие в них компоненты и устройства:
- Analog Components — Аналоговые микросхемы: компаратор, операционные усилители с тремя и с пятью выводами;
- Basic Components — Базовые компоненты: конденсатор, индуктивные элементы, трансформаторы, потенциометр, реле, резистор, конденсатор с переменной ѐмкостью, индуктивная катушка с переменной индуктивностью и др.;
- Diod Components — Диоды и стабилитроны;
- Transistor Components -Транзисторы биполярные и полевые;
- Measurement Components - ; Измерительные приборы: амперметрия, вольтметрия, мировые индикаторы;
- Miscellancous Components — Устройства смешанного типа: таймер 555, выключатели, предохранители, лампа накаливания, двигатель постоянного тока, семисегментовые индикаторы;
- Power Source Components — Источники напряжения, трехфазные генераторы, источники питания цифровых устройств, заземление;
- Rated Virtual Components — Виртуальные компоненты с ограничениями параметров и с выбором скорости выхода из строя при превышении установленных параметров ( Animation Delay Factor Множитель задержки для анимации; параметр не имеет отношение к процессам реального времени): транзисторы, конденсатор, диод, катушка индуктивности, двигатель постоянного тока, реле трѐх типов, резистор;
- Signal Source Components — Генераторы: синусоидального напряжения и тока, амплитудно-модулированных сигналов (тока и напряжения), тока и напряжения специальных форм (в виде меандра, прямоугольных, экспоненциальных и линейно- нарастающих импульсов).
Для примера рассмотрим усилительный каскад на биполярном транзисторе, включенным в схему с общим эмиттером в среде EWB 5.12.
В виртуальной лаборатории процесс моделирования максимально приближен к реальному эксперименту, студент, осуществляя последовательность таких операций, как сборка электрической схемы, подключение к ней измерительных приборов, задание параметров генераторов входных воздействий и установка режимов на лицевых панелях измерительных приборов, получает результаты измерений в привычной для него форме.
Ниже приведены результаты исследований таймера 555 (или его аналога КР1006ВИ1) в среде Мультисим. На рисунке приведена схема генератора прямоугольных импульсов и линейно-изменяющегося напряжения.
Одним из важных применений таймера 555 является широтно-импульсная модуляция. Ниже приведена одна из схем.
В активном окне Oscilloscope-XSC1 можно увеличивать и уменьшать масштаб, сдвигать графики по осям ординат и абсцисс, с помощью курсора смотреть параметры в каждой точке графика (здесь- значение напряжения),с помощью кнопки Save можно сохранить данные осциллографа в виде таблице в текстовом файле.
Отображение на мониторе компьютера знакомых приборов, таких, как виртуальные осциллографы, амперметры, вольтметры, мультиметры, функциональный генератор, измеритель амплитудно- и фазочастотных характеристик и приборы для исследования электронных схем, делает процесс исследования наиболее естественным и понятным, максимально приближает эксперимент к реальному.
В следующем рисунке приведен пример изучения аналового-цифрового преобразователя в среде Мультисим-14.
Как показывает учебная практика, компьютерные технологии должны дополнять и углублять знания студентов о реальных устройствах и их физических свойствах.
В заключении можно отметить, что:
1. Виртуальное проектирование занимает меньшее время и денежных средств в разы, на создание реальных стендов требуются значительные материальные затраты.
2. С помощью компьютерных технологий легко продемонстрировать функциональность разрабатываемого устройства и реального физического стенда.
3. Студенты выполняют лабораторные работы, используя виртуальные лабораторные макеты. Любой виртуальный макет можно размножить и за одно занятие все студенты могут выполнять одну и ту же лабораторную работу, используя каждый свой макет. А это позволяет лучше понять лекционный курс, т. к. студент уже имеет все необходимые знания. Студент может выполнить лабораторную работу дома, используя при этом свой ПК.
4. Реальные лабораторные стенды часто выходят из строя вследствие неосторожного и неквалифицированного обращения с ними, выход из строя виртуального устройства–макета невозможен из–за его виртуальности.
Литература:
1. Евдокимов Ю. К., Линдваль В. Р., Щербаков Г. И. LabVIEW для радиоинженера: от виртуальной модели до реального прибора. Практическое руководство для работы в программной среде LabVIEW. — М: ДМК Пресс, 2007. — 400 с.
2. National Instruments. Введение в Multisim. Трехчасовой курс.
3. http://www.ni.com/
