Розробка комплексу лабораторних робіт з дисципліни "Теорія електричних та магнітних кіл" в середовищі LabView

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1.1 Найменування та галузь застосування

2.1 Віртуальні інструменти й середовище LabView

Програмування в LabView полягає в створенні віртуальних інструментів. Віртуальний інструмент (ВІ) являє собою програмну імітацію реального приладу, обладнання або установки. Якщо наприклад розглянути прилад вольтметр, то він має наступні частини :

* лицьову панель із установленими на ній перемикачами (регуляторами), що й показують табло, стрілочними або цифровими (індикаторами);

* електричну схему, яка з'єднує між собою елементи, що установлюються на лицьовій панелі;

* набір клем, за допомогою яких до даного приладу можна підключити зовнішні сигнали.

Аналогічно ВI має три головні частини:

Front panel - Лицьову панель (панель приладу)

Block diagram - Блок-діаграму (схему з'єднання елементів приладу)

Icon / connector - Іконка /з'єднувач (набір клем і графічне обозначення приладу).

На лицьовій панелі встановлюється органи управління й індикації - (перемикачі, вимикачі, регулятори й дисплеї). Тобто вхідні й вихідні елементи. Лицьова панель ВI аналогічна лицьовим панелям реальних приладів. Вхідні елементи називаються органи управління (регулятори), вихiднi - органи індикації (індикатори). Можливе використання різних елементи контролю й індикації, таких як: рукоятки, перемикачі, кнопки, лампочки, діаграми, графіки, і таке інше, які роблять лицьову панель більш близької до реальної й зрозумілої.

Рис. 2.1 Лицьова панель вимірника температури

Кожна лицьова панель має пов'язану з нею блок-діаграму (схему прибору). Блок-діаграми будуються з використанням мови графічного програмування G. Блок - діаграму можна представити як вихідний код. Компоненти блок - діаграм являють собою елементи програмування, наприклад: цикл FOR, структуру Case, арифметичні, математичні й логічні функції. Розташовувані на лицьовій панелі компоненти відображаються на блок - діаграмі у вигляді спеціальних значків, названих терміналами. Термінали "зв'язуються" між собою усередині блок - діаграм з використанням різних функцій.

Значок / з'єднувач служить для включення одного в інший ВI. Вбудований ВI (Subvi), може використовувати як "пiдпрограмма" іншого ВI.

Значок (Іконка) - графічно представляє Subvi у блок-діаграмі іншого ВI. З'єднувач має клеми (terminals) які показують, як повинні з'єднуватися вхідні й вихідні елементи Subvi, представленого іконкою.

Клеми аналогічні параметрам підпрограм. Через них передається керування й індикація на лицьову панель ВI.

Рис. 2.2 Блок-діаграма вимірника температури

При запуску програми відкривається стартове вікно, що містить поле "швидка порада", і кнопки, що виконують наступні функції:

- New VI - створення нового ВI;

- Open VI - відкрити існуючий ВI;

- Solution Wizard - запускає майстер утиліт для створення систем збору даних або інструментальних додатків;- Search Example - відкриває список и запускає на виконання приклади ВІ, що включені в пакет LABVIEW;

- Labview Tutorial - запускає підручник по LABVIEW, що супроводжується анімацією й звуковим оформленням (потрібне наявність CD диска);

- EXIT - вихід із програми LABVIEW.

Коли вибирається команда "NEW VI" , на екрані з'являються два вікна. Вікно "panel" - відображає лицьову панель і вікно "diagram", що відображає блок-діаграму.

Лицьова панель і блок - діаграма містять колекцію графічних об'єктів - програмних елементів LABVIEW.

Лицьова панель містить різні типи органів керування й індикації. Блок - діаграм містить термінали, що зв'язують регулятори й індикатори, а так - же константи, функції, Subvi, структури й зв'язку, які зв'язують один об'єкт із іншим.

За аналогією з реальними приладами, лицьова панель імітує приладову панель, а блок-діаграма електронну схему приладу, виражену математично.

2.2 Інструменти побудови Віртуальних інструментів

Створення Віртуальних Інструментів (програм), проводиться за допомогою спеціальних палітр. Середовище Labview оперує трьома палітрами, Палітрою Інструментів, Палітрою Компонентів і Палітрою Функцій.

Палітра Інструментів (Tools Palette) - призначена для керування за допомогою інструментів розміщенням компонент на лицьовій панелі, функцій на блок-діаграмі, зв'язування функцій, колірного оформлення лицьової панелі. Палітра присутня на екрані при активній лицьовій панелі й активній блок - діаграмі.

Відкрити палітру можна вибором пункту меню Windows >> Show Tools Palette або клацанням правою кнопкою миші з комбінацією клавіш Ctrl + Shift у вікні лицьової панелі або блок-діаграми.

При виборі будь-якого інструмента палітри, курсор змінює свою форму на вид обраного інструмента.

Компоненти Палітри Інструментів:

Палітра Компонентів ( Controls Palette ) - є основним інструментом побудови лицьової панелі.

Палітра містить у собі набір субпалiтр, у яких згруповані всі органи регулювання (регулятори) і індикації (індикатори). Палітру можна розташовувати на екрані в будь-якому зручному місці. За замовчуванням палітра з'являється при активізації вікна лицьової панелі, і зникає при переході у вікно блок-діаграми. Палітру можна закрити. При необхідності відкрити палітру, можна вибрати пункт меню Windows >> Show Controls Palette (при активному вікні лицьової панелі) або клацанням правою кнопкою миші у вікні лицьової панелі. Існує можливість настроювання палітри, шляхом додавання в неї нових субпалiтр, компонентів, збереження модифікацій і переключення між модифікованими палітрами.

Доступ до субпалiтру здійснюється клацанням на кнопці із мнемонічним позначенням групи регуляторів \ індикаторів згрупованих у субпалiтрi.

Переключення на іншу палітру проводиться вибором пункту головного меню Edit>> Select Palette Set. Редагування палітр проводиться вибором пункту головного меню Edit>> Control & Function Palettes….

Палітра Компонентів, прийнята за замовчуванням ( Default ) містить 11 субпалiтр.

Палітра Компонентів

Палітра Функцій (Functions Palette) - призначена для побудови блок-діаграм.

Палітра функцій призначена для побудови блок-діаграм. Палітра містить у собі набір субпалiтр, у яких згруповані компоненти для зв'язування ланцюгами математичних і логічних функцій, структур субдiаграмм, зв'язки з модулями написаними на інших мовах програмування. Палітру можна розташовувати на екрані в будь-якому зручному місці. За умовчанням палітра з'являється при активізації вікна блок-діаграми, і зникає при переході у вікно лицьової панелі. Палітру можна закрити. При необхідності відкрити палітру, можна вибрати пункт меню Windows >> Show Functions Palette (при активному вікні блок-діаграми ) або клацанням правою кнопкою миші у вікні блок-діаграмі.

Палітра Компонент, що прийнята за замовчанням (Default ) містить 19 субпалітр.

2.3 Створення, редагування і відладка віртуальних інструментів

3.1 Вимоги до проектованої системи та коло задач, що вона вирішує

Відповідно до методики вивчення дисципліни «Теорія електричних та магнітних кіл», лабораторний практикум, що розробляється, призначений для проведення експерименту з реалізацією віртуальних приладів електровимірювань (амперметрів, вольтметрів і так далі). Передбачається дослідження об'єкту (лінійних електричних ланцюгів із зосередженими і розподіленими параметрами) в сталому і перехідному режимах при постійній дії; вирішення завдань цифрової обробки сигналів різного типа. До віртуального лабораторного практикуму відносяться також завдання моделювання різних режимів в електричних і електронних ланцюгах за допомогою програмних засобів розрахунку, обробки і фільтрації сигналів різних форм, що розробляються.

При проведенні лабораторних робіт студент набуває навички роботи з системою, моделюючи електричне коло, проведення необхідних вимірів за допомогою віртуальних приладів, практичні навички проектування цифрових фільтрів із заданими характеристиками, цифрової обробки сигналів.

Створення основних модулів забезпечує проведення лабораторних робіт з використанням віртуальних вимірювальних приладів практично по будь-якій частині розділу дисципліни «Лінійні електричні кола постійного струму». Саме модульність, розробка єдиного підходу до створення лабораторного практикуму забезпечує гнучкість і подстраиваемость комплексу під конкретний учбовий план.

3.2 Логіко-функціональна схема роботи користувача

Ядром комплексу є два основні модулі - «введення (редагування) розрахункової схеми і вихідних даних» і «розрахунок схеми».

Лабораторний комплекс включає наступні модулі:

· «Введення (редагування) розрахункової схеми і вихідних даних».

· «Розрахунок лінійного електричного ланцюга».

· «Вимір віртуальними приладами».

· «Виведення результатів».

3.3 Опис інтерфейсу користувача системи

3.3.1 Введення (редагування) розрахункової схеми і вихідних даних

Введення (редагування) розрахункової схеми і вихідних даних здійснюється в найбільш зручному режимі для користувача - з використанням набірного поля за принципом «малювання» схеми, складки з базисних елементів (елементів електричного кола) за шаблоном (при виконанні лабораторної роботи) або довільно.

На рис. 3.2 представлено Робоче вікно (набірне поле). Розміри Робочого вікна можуть бути змінені, вибір режиму "сітка" полегшує введення електричного кола.

Рис. 3.2 Робоче вікно, режим "сітка"

У лівому верхньому кутку Робочого вікна розташована кнопка , натиснення якої переводить роботу в "активний режим" (завдання вихідних даних, розрахунок схеми) - . На рис. 3.3 представлена панель приладів і елементів електричного кола (набір елементів і приладів варіюється залежно від номера лабораторної роботи). Для лабораторних робіт "Лінійні кола постійного струму" на панелі розташовані кнопки:

- "стерти (видалити з'єднання)",

- "дріт (з'єднання елементів)",

- " резистор"

- ідеальне джерело напруги

- ідеальне джерело струму

- амперметр

- вольтметр.

Рис. 3.3 Панель приладів і елементів для Лабораторної роботи "Лінійні кола постійного струму"

Додаткова кнопка дозволяє розташовувати на схемі "похилі" з'єднання. Вузли електричного ланцюга з'являються автоматично при з'єднанні трьох або більшої кількості гілок. На рис. 3.4 представлений фрагмент створення робочої схеми.

Рис. 3.4 Створення робочої схеми

Завдання вихідних даних здійснюється на передній панелі джерел (регульовані ручки) в спливаючому вікні, що з'являється одночасно з розташуванням елементу у вибраному місці схеми. На рис 3.5 представлений етап збірки схеми - ввод в схему ідеального джерела напруги E1.

Рис. 3.5 Етап збірки схеми

На рис. 3.6 представлена схема робочого завдання.

Рис. 3.6 Досліджувана електрична схема

Завдання вихідних даних здійснюється в "активному режимі" .

- введення параметра R1=270 Кому. За умовчанням величина опорів резисторів рівна 1 Ом .

Завдання параметрів джерел можливе введенням числа

або за допомогою регульованих ручок

.

На рис. 3.7 представлена робоча схема із заданими параметрами елементів.

Рис. 3.7 Введення вихідних даних

Введення досліджуваного електричного ланцюга і вхідних даних не вимагає попередніх навиків у користувача, проте, не обмежує складність досліджуваного ланцюга. Використання шаблонів дозволяє звести витрати часу на введення вихідних даних до мінімуму. Передбачений аналіз введеної схеми на «коректність».

3.3.2 Вимір віртуальними приладами

Віртуальні прилади (амперметри, вольтметри, фазометри, ватметри і так далі) електровимірювань по зовнішній панелі аналогічні цифровим реальним приладам. При знятті експериментальних даних обов'язково вказуються одиниці вимірюваних величин. Віртуальний осцилограф призначений не лише для дослідження тимчасових залежностей струмів і напруги, вольтамперних характеристик окремих елементів електричного ланцюга, принципу лінійності, але і для зображення векторних діаграм струмів і топографічних діаграм напруги при розрахунках символьним (комплексним) методом. Зображення процесів в ланцюгах з розподіленими параметрами (довгих лініях) за допомогою векторів струмів або напруги прямих і зворотних хвиль значно полегшує засвоєння учбового матеріалу. Вживання віртуальних приладів електровимірювань дозволяє відмовитися від придбання реальних дорогих цифрових приладів (які можуть і не вироблятися промисловістю) і в результаті понизити вартість лабораторних стендів, поклавши завдання управління експериментом, реалізації приладів і обробки результатів на персональний комп'ютер. Така організація експерименту не лише знижує вартість лабораторного устаткування, але і підвищує функціональні можливості лабораторного стенду.

У лівому верхньому кутку Робочого вікна розташована кнопка , натиснення якої переводить роботу в "активний режим" (завдання вихідних даних, розрахунок схеми) - . Там же розташована панель приладів і елементів електричного ланцюга (набір елементів і приладів варіюється залежно від номера лабораторної роботи). Для лабораторних робіт "Лінійні кола постійного струму" використовуються прилади:

-амперметр, - вольтметр. Автоматично на схемі розмічається "вхід" і "вихід" приладу, тобто полярність включення приладу . Прилади можна "перевертати", при цьому зміниться знак вимірюваного струму або напруги.

Вимір приладами (зняття дослідних даних) здійснюється таким чином:

- для струмів I1= 16 А,

- для напруги U=20 В.

На рис. 3.8 представлений етап виконання Робочого завдання - вимір струмів і напруги в досліджуваному ланцюзі за допомогою віртуальних приладів. Змінюючи параметри елементів (напругу джерела E1, струм джерела J1, величину опору R1) можна досліджувати струми і напругу розрахункового ланцюга в динамічному режимі.

Рис. 3.8 Вимір віртуальними приладами

На рис.3.9 і 3.10 представлені етапи виконання Лабораторної роботи "Лінійні електричні кола" і "Активний двополюсник постійного струму".

Рис. 3.9 Виконання Лабораторної роботи "Лінійні електричні кола"

Рис. 3.10 Виконання Лабораторної роботи "Активний двополюсник постійного струму"

3.4 Методичне забезпечення виконання лабораторних робіт

Короткий вміст роботи

У роботі проводяться виміри опору лінійного резистора методом амперметра і вольтметра за двома схемами виміру. Експериментально знімаються вольтамперні характеристики лінійного резистора і зовнішні характеристики джерела постійної напруги і джерела постійного струму. На підставі отриманих характеристик складаються схеми заміщення цих елементів електричного кола і розраховуються їх параметри.

Підготовка до роботи

1. Побудувати ВАХ резистора з опором

а) R1=n Ом, де n -номер, під яким прізвище студента записане в журналі групи.

б) R2=R1/2

в) R3=2R1.

2. Побудувати ВАХ резистора, еквівалентного послідовно сполученим резисторам R2 і R3; паралельно сполученим R2 і R3.

3. Визначити опір резистора R і побудувати його ВАХ за показанням приладів ImA=6,4 мА і Uv=9,6 В (рис. 3.11). Опір міліамперметра 58 Ом, вольтметра 10 Кому. Як зміниться результат, якщо прилади вважати ідеальними?

Рис. 3.11 Схема з'єднання 1

4. Побудувати зовнішню характеристику джерела (рис. 3.11) за дослідними даними:

1) ImA=6,4 мА, Uv=9,6 В 2)ImA=18,7 мА, Uv=8,9 В.

5. Визначити опір резистора R і побудувати його ВАХ за свідченнями приладів ImA=38,8 мА і Uv=12 В (рис. 3.12). Опір міліамперметра 58 Ом, вольтметра 10 Кому. Як зміниться результат, якщо прилади вважати ідеальними?

Рис. 3.12 Схема з'єднання 2

6. Побудувати зовнішню характеристику джерела (рис. 3.12) за дослідними даними:

1)ImA=38,8 мА, Uv=12 В 2)ImA=38,2 мА, Uv=18 В.

Робоче завдання

Частина I. Вимір опору резистора

1. Зібрати коло за схемою (рис. 3.13). За допомогою регулювальника для зміни напруги джерела встановити напругу в межах 15-20 В. Запісать значення струму IMA і напруга Uv, виміряна приладами. Розрахувати значення струму і напруги на резисторі, опір R резистора.

Рис. 3.13 Розрахункова схема 1

2. Зібрати ланцюг за схемою (рис. 3.14). Регулювальником джерела встановити струм в межах 80-100 мА. Записати значення струму IMA і напруга Uv, виміряна приладами. Розрахувати значення струму і напруги на резисторі, опір R резистора.

Рис. 3.14 Розрахункова схема 2

3. Порівняти між собою значення R, знайдені в п.1 і п.2.

Частина II. Вольт-амперна характеристика лінійного резистора

1. Зібрати коло по рис. 3.13. Змінюючи приблизно рівними інтервалами напруги джерела в межах від нуля до 20 В або його струм в межах від нуля до 100 мА, занести результати вимірів в таблицю. Побудувати на графіці залежність U(I) - пряму, що проходить через початок координат. Узявши на вольт-амперній характеристиці довільну точку, знайти значення опору R і порівняти його із значеннями, розрахованими в попередньому пункті.

2. На графіці побудувати вольт-амперні характеристики резисторів, опір яких рівний 2R і 0,5R.

Частина III. Зовнішня характеристика лінійного джерела

1. Зібрати схему по рис. 3.15 для зняття зовнішньої характеристики джерела напруги. Збільшуючи резистором Rрег струм ImA до 40-50 мА приблизно рівними інтервалами (регулювальник джерела залишається в незмінному положенні), записати свідчення приладів в таблицю.

Рис. 3.15 Розрахункова схема 3

2. По зовнішній характеристиці визначити напругу холостого ходу і внутрішній опір джерела. Накреслити послідовну схему заміщення джерела, вказавши на ній значення параметрів елементів.

3. На графіці побудувати зовнішні характеристики ідеального джерела напруги і джерела, внутрішній опір якого в 2 рази менше або більше знайденого

Контрольні питання:

1. Що таке електричне коло? З яких основних елементів воно полягає і які їх функції?

2. Дайте визначення лінійних елементів, лінійних електричних кіл.

3. Дайте визначення поняття схеми електричного кола.

4. Дайте визначення резистивного елементу (резистора).

5. Що називають ідеальним джерелом ЕРС?

6. Що називають ідеальним джерелом струму?

7. Як складають схему заміщення джерел і приймачів енергії електричних кіл?

8. Що називається реальним джерелом напруги?

3.4.2 Лабораторна робота "Лінійні ланцюги постійного струму"

Виконання лабораторної роботи складається з наступних основних етапів:

· введення досліджуваного електричного ланцюга відповідно до схеми Робочого завдання

· вимір віртуальними приладами (зняття експериментальних даних)

· обробка результатів.

Короткий вміст роботи

У роботі здійснюється експериментальна перевірка заздалегідь розрахованих струмів розгалуженого електричного кола, вхідної і взаємної провідності гілок і коефіцієнтів передачі струму. Проводяться розрахунки, засновані на принципі накладення, з використанням знайденої провідності і коефіцієнтів передачі і результати зіставляються з експериментом. За експериментальними даними будується потенційна діаграма кола.

Підготовка до роботи

1. Накреслити в звіті схему кола по рис 3.16.

Рис. 3.16 Схема проведення експерименту

2. Застосовуючи метод контурних струмів, розрахувати струми в гілках схеми п. 1 при E1=15 В і J=8 мА. Значення опорів резисторів R1, R2, R3 і міліамперметрів вказані в таблиці 3.1 та 3.2. Рекомендується спочатку виконати розрахунок струмів, приймаючи прилади ідеальними. Потім по знайдених значеннях струмів вибрати межі виміру приладів і повторно розрахувати струми в гілках з врахуванням опорів міліамперметрів ( n -номер, під яким прізвище студента записане в журналі групи.)

Таблиця 3.1

Значення опорів резисторів

Таблиця 3.2

Параметри міліамперметрів

3. Для вказаних в п. 2 значень параметрів розрахувати струми в гілках схеми, застосовуючи метод вузлових потенціалів. Порівняти результати розрахунків, отримані в п. 2 і 3.

4. Накреслити схему для визначення вхідної g11 і взаємних g21, g31 провідності гілок кола п.1. Розрахувати вказану провідність гілок.

5. Накреслити схему для визначення коефіцієнтів передачі струму k22, k12, k32 кола п. 1. Розрахувати вказані коефіцієнти передачі струму.

6. Записати вираження для визначення струму I3 з використанням знайдених в п. 4 і п. 5 значень провідності і коефіцієнтів передачі струму. Розрахувати значення струму I3 при E1=10 В і J=6 мА.

Робоче завдання

1. Зібрати ланцюг за схемою. Встановити значення E1=15 В, J=8 мА. Виміряти струми і напруги в гілках ланцюга. Порівняти результати виміру з результатами розрахунку, виконаного в п.2 і п.3 Підготовках до роботи.

3.17 Схема робочого завдання

2. Для експериментального визначення власної і взаємної провідності g11, g21, g31 встановити значення E1 в межах 10-15 В, виключити джерело струму. Вимірявши струми в гілках кола, визначити вказану провідність. Порівняти з результатами розрахунку, виконаного в п.4 Підготовки до роботи.

3. Для експериментального визначення коефіцієнтів передачі струму k22, k12, k13 встановити значення J в межах 6-8 мА, виключити джерело напруги. Вимірявши струми в гілках кола, визначити вказані коефіцієнти. Порівняти з результатами розрахунку, виконаного в п.5 Підготовки до роботи.

4. Встановити значення E1=15 В, J=8 мА.

5. Виміряти струми в третій гілці ланцюга, порівняти з результатами розрахунку, виконаного в п.6 Підготовки до роботи.

6. В колі виміряти струми в гілках для двох довільних значень ЕРС при постійному струмі джерела струму. За результатами вимірів визначити власну і взаємна провідність g11, g21, g31.

7. В колі виміряти струми в гілках для двох довільних значень струму джерела J при постійному значенні E1. За результатами вимірів визначити коефіцієнтів передачі струму k22, k12, k13.

8. Встановити довільні значення E1 і J. Прийнявши потенціал якої-небудь точки ланцюга, наприклад g, рівним нулю, виміряти вольтметром потенціали останніх точок одного з контурів. За результатами вимірів побудувати потенційну діаграму, вважаючи, що джерела ідеальні.

Контрольні питання

1. Яке число рівнянь треба скласти по першому і яке по другому законам Кірхгофа для розрахунку струмів розгалуженого електричного кола?

2. Яке число рівнянь треба скласти по методу контурних струмів і яке по методу вузлових потенціалів для розрахунку струмів розгалуженого електричного кола?

2. Дайте визначення взаємної gij і вхідний gii провідності гілок.

3. Дайте визначення коефіцієнта передачі по струму kij.

4. Що таке потенційна діаграма електричного кола?

5. Як будують потенційну діаграму?

6. Які величини можна знайти на підставі потенційної діаграми?

7. Як по потенційній діаграмі визначити струми в гілках?

3.4.3 Лабораторна робота "Активний двополюсник постійного струму"

Короткий вміст роботи

У роботі розрахунковим шляхом і експериментально визначаються параметри активних двополюсників, що містять джерела ЕРС і струму. Досліджуються функціональні залежності напруги і потужності приймача при зміні його опору, а також залежність між струмами в колі.

Підготовка до роботи

1. Накреслити в звіті схему кола по рис. 3.18. Розглядаючи це коло відносно регульованого резистора (виводи а і b) як активний двополюсник, розрахувати напругу холостого ходу Uхх при E1=6 В, E2=15 В і вхідний опір rвх (значення опорів резисторів і вимірювальних приладів подані в таблиці 3.3 і 3.2); для міліамперметрів використовувати межу 15 мА. Визначити струм короткого замикання Iкз двополюсника.