KOMPUTEROWE STANOWISKO LABORATORYJNE DO BADANIA PARAMETRÓW WZMACNIACZY

Transkrypt

1 Materiały XXXVI Międzyuczelnianej Konferencji Metrologów MKM 04 Wojskowa Akademia Techniczna Wydział Elektroniki, Instytut Podstaw Elektroniki KOMPUTEROWE STANOWISKO LABORATORYJNE DO BADANIA PARAMETRÓW WZMACNIACZY Celem pracy jest prezentacja wykorzystania w procesie dydaktycznym zintegrowanego systemu pomiarowego do badania parametrów elektrycznych wzmacniaczy i amplifiltrów. System umożliwia pomiar podstawowych parametrów wzmacniaczy, zobrazowanie procesów pomiarowych, wizualizację danych oraz weryfikację otrzymanych wyników. Składa się on ze zautomatyzowanego stanowiska pomiarowego, pakietu symulacji komputerowej układów elektronicznych oraz interaktywnego pakietu sterującego pracą całego systemu. INTEGRATED MEASUREMENT SYSTEM FOR TESTING ELECTRIC PARAMETERS OF AMPLIFIERS The paper presents an application of an integrated measurement system, testing electric parameters of amplifiers and amplifilters, in the didactics process. The system enables measuring basic parameters of amplifiers, visualization of the measurement processes, visualization of data and verification of the obtained results. It consists of an automated measurement stand, a packet for computer simulation of electronic circuits and interactive packet responsible for control of the whole system. 1. WPROWADZENIE Badanie współczesnych układów elektronicznych wymaga stosowania coraz większej gamy przyrządów wykorzystujących najnowsze techniki pomiarowe. Rozwój techniki pomiarowej doprowadził do coraz częstszego korzystania z rozbudowanych systemów pomiarowych. Gotowe systemy pomiarowe, oferowane przez wielu producentów sprzętu metrologicznego, charakteryzują się bardzo wysokimi kosztami zakupu oraz dużymi kosztami eksploatacji. Ponadto takie systemy są mało podatne na różnego rodzaju modyfikacje i zmiany konfiguracji, chyba, że poprzez zakup dodatkowych opcji. Postęp elektroniki w połączeniu z ograniczoną bazą laboratoryjną sprzętu pomiarowego wielu pracowni nie pozwala obecnie na przeprowadzanie szeregu badań, bardzo zawężając również możliwości dokonywania pomiarów. Potrzeba nadążania za współczesnymi rozwiązaniami techniki badawczej przy jednoczesnej minimalizacji kosztów doprowadziła do podjęcia prac nad stworzeniem systemu pomiarowego, który zaspokoiłby najważniejsze potrzeby pomiarowe tradycyjnych pracowni dydaktycznych.

2 STANOWISKO POMIAROWE W Zakładzie Układów Elektronicznych Instytutu Podstaw Elektroniki Wydziału Elektroniki WAT opracowano głównie dla celów dydaktycznych zintegrowane stanowisko pomiarowe przeznaczone do badania podstawowych parametrów elektrycznych wzmacniaczy i układów pochodnych oraz wyznaczania różnego rodzaju ich charakterystyk. Prezentowany system wykorzystywany jest w ćwiczeniach laboratoryjnych w ramach przedmiotu Układy Analogowe oraz Podstawy Modulacji i Detekcji. Komputer Centronics SYSTEM INTERFEJSÓW GP-IB RS-232 GP-IB INTERAKTYWNY PAKIET STERUJĄCY GRAFICZNY INTERFEJS UŻYTKOWNIKA Zintegrowane środowisko programowe Agilent VEE INTERFEJS POMIAROWY Komutator Wy Symulator Układów ICAP/4W Obliczanie wyników analitycznie Przyrządy pomiarowe We Rys. 1. Schemat stanowisko pomiarowe Fig. 1. Diagram of measurement system Laboratoryjne stanowisko pomiarowe (rysunek 1) to sterowana jednostka wymuszającopomiarowa [1]. Obejmuje ona jednostkę centralną (komputer PC) sprzęgniętą z rodziną autonomicznych przyrządów firmy Hewlett-Packard (obecnie Agilent) tj.: wielofunkcyjnym generatorem sygnałowym Agilent 33120A, czterokanałowym oscyloskopem cyfrowym 54624A, multimetrem HP 3458A oraz regulowanym zasilaczem wielosekcyjnym HP E3630A. Sterowanie tymi przyrządami oraz przesyłanie danych odbywa się programowo poprzez system interfejsu HP-IB. Narzędziem programowym umożliwiającym sterowanie pracą systemu jest pakiet programowy Agilent VEE. Wykorzystanie w prezentowanym systemie zintegrowanego środowiska programowego [2] nie tylko zapewniło prawidłowe sterowanie przyrządami i przesyłanie danych pomiędzy nimi, ale również umożliwiło akwizycje, archiwizację i przetwarzanie tych danych. Zapewniło również możliwość zobrazowania przebiegu pomiarów, stanu wszystkich elementów systemu, a także odpowiednią wizualizację danych oraz wyników ich przetwarzania [3]. Wykorzystanie zintegrowanego środowiska programowego umożliwiło wzbogacenie stanowiska pomiarowego o dodatkową grupę przyrządów pomiarowych przyrządów wirtualnych. Zwiększyło to znacznie zakres możliwości pomiarowych całego systemu. Zmianę konfiguracji badanych układów umożliwia blok komutatora, będący sekcją przełączników sterowanych poprzez interfejs RS-232.

3 Komputerowe stanowisko laboratoryjne do badania parametrów wzmacniaczy SYMULATOR UKŁADÓW ELEKTRONICZNYCH Zintegrowany system pomiarowy wzbogacony jest o pakiet symulacji komputerowej układów elektronicznych. Jest nim program ICAP4W firmy IntuSoft [4]. Umożliwia on przeprowadzenie pełnej symulacji badanych układów wzmacniaczy w wyniku czego możliwe jest uzyskanie parametrów roboczych oraz charakterystyk w dziedzinie częstotliwości i czasu (rysunek 2). Możliwa jest również obserwacja wpływu zmian wartości elementów badanych układów (zmiana punktu pracy, zmiana wartości rezystancji generatora i obciążenia, itp.) na ich parametry robocze. Rys. 2. Okno symulatora układów elektronicznych ICAP4W Fig. 2. Window of electronics circuits simulation software ICAP4W Takie połączenie systemu pomiarowego z pakietem symulacyjnym umożliwia przeprowadzanie badań symulacyjnych oraz ich bieżącą weryfikację eksperymentalną (na drodze pomiarowej, gdyż wyżej wymienione eksperymenty przeprowadzane są również w oparciu o model laboratoryjny). 4. INTERAKTYWNY PAKIET STERUJĄCY Pracę całego systemu pomiarowego nadzoruje interaktywny pakiet sterujący. Z jego poziomu możliwy jest wybór odpowiedniej konfiguracji układu pomiarowego oraz prawidłowe skonfigurowanie przyrządów pomiarowych do konkretnego ćwiczenia laboratoryjnego. Ponadto pakiet sterujący dokonuje konwersji wyników symulacji i pomiarów do graficznego interfejsu użytkownika. Umożliwia również wyznaczenie na drodze

4 288 teoretycznej parametrów wzmacniaczy dla wybranych, badanych w ćwiczeniu laboratoryjnym układów. Pakiet sterujący służy ponadto w każdym momencie pomocą użytkownikowi (studentowi), zarówno w dziedzinie wiedzy teoretycznej z zagadnień dotyczących poszczególnych ćwiczeń, jak i podpowiedziami odnośnie wykorzystania i posługiwania się systemem pomiarowym. Pakiet kontrolny oferuje wiele opcji przydatnych w trakcie zajęć laboratoryjnych. Jedną z takich opcji jest możliwość konfigurowania badanego modelu laboratoryjnego (dla przeprowadzenia konkretnego eksperymentu) na dwa sposoby. Pierwszy ze sposobów to automatyczna nastawa wszystkich przełączników w modelu po wybraniu odpowiedniego punktu pomiarowego. Drugi sposób to ręczna konfiguracja wewnętrznej struktury badanego modelu. Pakiet zapewnia również nadzór nad poczynaniami studenta i uniemożliwia przystąpienie do pomiarów jeśli układ nie został prawidłowo skonfigurowany (wszystkie przełączniki nie zostaną prawidłowo ustawione). Zabezpiecza to przed przypadkowym uszkodzeniem modelu. 5. ZASTOSOWANIE ZINTEGROWANEGO SYSTEMU POMIAROWEGO W PROCESIE DYDAKTYCZNYM Prezentowany system pomiarowy umożliwia przeprowadzenie badań i pomiarów z zakresu trzech ćwiczeń laboratoryjnych w ramach przedmiotu Układy analogowe: - wzmacniacz RC z ujemnym sprzężeniem zwrotnym, - wzmacniacz pasmowy z korekcją charakterystyki, - wzmacniacz operacyjny i amplifiltry, - wzmacniacz mocy kl. C - powielacz. Jak już wcześniej wspomniano, w oparciu o grupę autonomicznych przyrządów pomiarowych, dzięki wykorzystaniu graficznego środowiska programowego, stworzono kilka wirtualnych przyrządów, które znacznie przyczyniły się do zwiększenia zakresu pomiarowego systemu jak i metodyki pomiarów. Do badania parametrów wzmacniaczy RC oraz amlifiltrów (w ramach układów odoperacyjnych) wykorzystuje się wirtualny analizator charakterystyk (rysunek 3) oraz wirtualny analizator widma. Umożliwia on pomiar amplitudowych i fazowych charakterystyk częstotliwościowych dla różnych konfiguracji badanych układów. Na podstawie obu tych charakterystyk możliwe jest wyznaczenie częstotliwości granicznych i porównanie tych wyników z wynikami uzyskanymi na drodze symulacji oraz na drodze teoretycznej. Parametry robocze badanych układów laboratoryjnych mierzy się w funkcji zmian punktu pracy elementu aktywnego oraz zmian napięcia zasilania układu, jak również w funkcji zmian amplitudy sygnału wejściowego.

5 Komputerowe stanowisko laboratoryjne do badania parametrów wzmacniaczy 289 Rys. 3. Okno analizatora charakterystyk częstotliwościowych Fig. 3. Window of frequency characteristics analyzer W przypadku badania modelu wzmacniacza pasmowego z korekcją charakterystyk bardzo przydatny jest wirtualny analizator charakterystyk czasowych (rysunek 4). Rys. 4. Okno analizator charakterystyk czasowych Fig. 4. Window of transient characteristics analyzer Umożliwia on nie tylko prezentowanie kształtu odpowiedzi czasowych na wymuszenie impulsem prostokątnym, lecz również dokonywany jest pomiar zwisu i czasu narastania odpowiedzi czasowej. Na podstawie tych pomiarów analizator prezentuje parametry czasowe układu dla różnych układów korekcji charakterystyk.

6 290 Należy nadmienić, że celowo zdecydowano się na budowę zintegrowanego stanowiska laboratoryjnego w oparciu o grupę autonomicznych przyrządów, rezygnując z wykorzystania kart pomiarowych. Rozwiązanie takie umożliwia oprócz automatycznego sterowania pracą systemu pomiarowego, wykonanie ćwiczeń laboratoryjnych w sposób tradycyjny. Jest to ważny aspekt, gdyż ma na celu zapoznanie studentów również z manualnymi sposobami obsługi przyrządów i tradycyjnymi technikami pomiarowymi [5]. 6. PODSUMOWANIE Przedstawiony zintegrowany system pomiarowy do badania parametrów wzmacniaczy jest nie tylko nowoczesnym narzędziem pomiarowym (w dużej mierze opartym na przyrządach wirtualnych), ale także bardzo istotnym w dydaktyce stanowiskiem laboratoryjnym łączącym w sobie aspekty edukacyjne i metrologiczne. Wykorzystanie tego systemu umożliwia zwiększenie liczby wykonywanych eksperymentów w ramach określonej liczby zajęć laboratoryjnych. Eliminuje on dotychczasowy żmudny i mało dydaktyczny manualny proces prowadzenia badań (zwłaszcza przy pomiarach różnego rodzaju charakterystyk). Ponadto studenci zapoznają się z możliwością wykorzystania w codziennej pracy nowoczesnych technik badawczych i obsługi zintegrowanych systemów pomiarowych, poznanych w ramach przedmiotu Metrologia i systemy pomiarowe. Jest również alternatywą dla tradycyjnych stanowisk pomiarowych ze względu na zastąpienie specjalizowanych i drogich przyrządów pomiarowych ich wirtualnymi odpowiednikami. LITERATURA 1. Mielczarek W.: Urządzenia pomiarowe i systemy kompatybilne ze standardem SCPI; Wydawnictwo HELION, Gliwice, Instrukcja: Vee OneLab User s Guide; USA, Agilent Technologies, Woźniak T., Fokow K.: Oprogramowanie HPVEE w systemach pomiarowych; MWK 99, Rynia, czerwiec 1999, strony Instrukcja: ICAP/4Lite User s Guide; USA, IntuSoft, Okoń W.: Wprowadzenie do dydaktyki ogólnej; Wydawnictwo Akademickie Żak, Warszawa, ABSTRACT The paper presents a description of integrated measurement system intended to be used in teaching. A system composed of measurement instruments, computer simulation software and interactive computational package is presented. The paper describes several examples of application of extending the laboratory stand with an additional group of devices, i.e. virtual instruments, are presented.