Krzysztof Makles Sprzęt i architektura komputerów Laboratorium Temat: Obsługa NI ELVIS II Katedra Architektury Komputerów i Telekomunikacji Zakład Systemów i Sieci Komputerowych
SPIS TREŚCI 1. Wymagania... 2 2. Przebieg ćwiczenia... Error! Bookmark not defined. 2.1. Przykład projektowy... Error! Bookmark not defined. 2.2. Weryfikacja projektu w środowisku Xilinx ISE... Error! Bookmark not defined. 3. Zadania... Error! Bookmark not defined. 4. Podsumowanie... 8 5. Literatura... 10 1. WYMAGANIA Wykonanie niniejszego ćwiczenia wymaga od studenta posiadania wiedzy i umiejętności z zakresu: znajomość pojęć natężenia i napięcia prądu, znajomość prawa Ohma, 2. NI ELVIS II NI ELVIS II (National Instruments Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite II Series) jest środowiskiem sprzętowo-programowym służącym do prototypowania układów elektronicznych. Wykorzystywany może być zarówno w edukacji, jak i w pracach inżynierskich lub badawczych. Sposób podłączenia urządzenia do komputera pokazano na rysunku 1.
Rys. 1. Sposób podłączenia i zasilenia urządzenia ELVIS II Komputer (1) połączony jest z urządzeniem (3) poprzez przewód USB (2). W urządzeniu zamontowana jest płytka do prototypowania (4). Zasilacz (5) podłączony jest do gniazda znajdującego się w tylniej części ELVIS-a. Do zasilacza podłączony jest kabel zasilający (6). Należy przyjąć następującą procedurę podłączania zestawu: 1. Sprawdzić połączenie USB pomiędzy komputerem a ELVIS-em (rysunek 2, gniazdo (3)). 2. Włożyć kabel zasilający do zalicza ELVIS-a (zasilacz powinien już być podłączony do gniazda (2) z rysunku 2). 3. Przełączyć w pozycję I włącznik zasilania, znajdujący się w tylniej części urządzenia (rysunek 2, włącznik (1), w tym momencie urządzenie powinno zostać rozpoznane przez system operacyjny). Strona 3 z 10
Rys. 2. Tylni panel urządzenia ELVIS W trakcie zajęć kolejne ćwiczenia będą wykonywane na płycie do prototypowania, pokazanej na rysunku 4. Zasilenie płyty do prototypowania odbywa się poprzez ustawienie w pozycję I włącznika, znajdującego się w prawym górnym rogu ELVIS-a (rysunek 3). Rys. 3. Diody kontrolne oraz włącznik zasilania płyty do prototypowania Prawidłowa praca urządzenia sygnalizowana jest poprzez świecenie się diody USB Ready oraz Power. Pamiętać należy, że wszelkie połączenia, osadzanie na płycie elementów, podłączanie mierników zewnętrznych, modyfikację połączeń na płycie, należy wykonywać przy wyłączonym zasilaniu płyty do prototypowania. Należy także zwracać uwagę na poprawność wykonania połączeń, gdyż w skrajnych przypadkach niepoprawne połączenie może skutkować uszkodzeniem elementów elektronicznych, uszkodzeniem samego ELVIS-a, lub uszkodzeniem zewnętrznych urządzeń pomiarowych. Strona 4 z 10
Rys. 4. Wygląd płyty do prototypowania W lewej części płyty do prototypowania znajdują się: wejścia analogowe AI oraz wejścia interfejsu PFI (Programmable Functions Interface) (1); interfejs przyłącza płyty do ELVIS-a (2); wejścia/wyjścia cyfrowe DIO (3); diody świecące konfigurowane przez użytkownika (4); wyjście D-SUB (5); sekcja liczników/czasomierzy (Counter/Timer), wejść/wyjść konfigurowanych przez użytkownika, zasilania (6); obsługa wirtualnego multimetru (DMM), wyjścia analogowe (AO), generator przebiegów (Function Generator), wejścia, wyjścia konfigurowane przez użytkownika, źródło o zmiennym napięciu (Variable Power Suplies), źródła zasilania (7); diodowe wskaźniki zasilania (8); przyłącze śrubowe (9); przyłącza BNC (10); przyłącza bananowe (11); śruba montarzowa (12). Pamiętać należy, że na płycie do prototypowania stałe połączenia elektryczne w sekcjach zrealizowane są wierszami. Rys. 5. Sposób podłączenia dla pomiaru napięcia stałego 5V Strona 5 z 10
3. POMIARY ZA POMOCA MULTIMETRU Pomiary podstawowych parametrów można dokonać w dwojaki sposób: korzystając z multimetru wirtualnego, realizowanego w środowisku komputerowym, lub za pomocą multimetru rzeczywistego. Przykład: Pomiar napięcia o wartości 5V za pomocą multimetru wirtualnego. Aby dokonać pomiaru napięcia prądu stałego 5V, należy połączyć źródło napięcia 5V, znajdujące się po lewej lub prawej stronie płyty do prototypowania (rząd 54) z wyjściem BANANA C (rząd 40), oraz masę GROUND (rząd 53) z wyjściem BANANA D (rząd 41). Połączenia można wykonać w sposób pokazany na rysunku 5. Następni należy połączyć wyjścia BANANA dodatkowymi przewodami z wejściami multimetru wirtualnego, odpowiednio: BANANA C -> DMM V (czerwone); BANANA D -> DMM COM (czarne). Wykonanie połączenia pokazano na rysunku 6. Rys. 6. Sposób podłączenia wyjść BANANA z wirtualnym multimetrem W środowisku komputerowym uruchamiamy wirtualny multimetr (Programy->National Instruments->Ni ELVISmx Instrument Launcher->Instruments->Digital Multimeter). Uruchomiony multimetr pokazano na rysunku 7. Multimetr ten pozwala na pomiar napięcia, natężenia, oporu, pojemności i indukcyjności. Jeżeli połączenia wykonano poprawnie, po naciśnięciu przycisku Run na wyświetlaczu w górnej części okna multimetru powinien ukazać się wynik pomiaru (około 5V). Jeżeli pomiar jest zakończony, można wcisnąć przycisk Stop. Strona 6 z 10
Rys. 7. Digital Multimeter w środowisku NI 4. PRZEBIEG ĆWICZENIA Wykorzystując regulowane źródło napięcia stałego z zestawu laboratoryjnego NI ELVIS II oraz dany przez prowadzącego rezystor zbuduj i zbadaj układ elektryczny według schematu przedstawionego na rys. 8. E S+ G I BA ma BB BC V BD R U Rys. 8. Schemat obwodu do weryfikacji prawa Ohma Kolejność czynności: Odczytaj z kodu paskowego rezystancję nominalną rezystora (np. skorzystaj z tabel bądź kalkulatorów dostępnych w Internecie) Podłącz zasilacz sieciowy do zestawu laboratoryjnego NI ELVIS II Połącz zestaw laboratoryjny NI ELVIS II z komputerem za pomocą kabla USB Strona 7 z 10
Włącz zasilanie platformy głównej z tyłu obudowy Umieść rezystor R na płycie prototypowej Połącz, szeregowo z rezystorem, multimetr wirtualny ustawiony w tryb pracy amperomierza prądu stałego Wykonaj połączenia z regulowanym źródłem napięcia stałego Variable Power Supplies (SUPPLY +) Połącz, równolegle z rezystorem, zewnętrzny multimetr cyfrowy ustawiony w tryb pracy woltomierza napięcia stałego Uruchom program sterowania zasilaczem (START Programy Naonal Instruments NI ELVISmx for NI ELVIS & NI mydaq Instruments Variable Power Supplies) Uruchom program obsługi multimetru (START Programy Naonal Instruments NI ELVISmx for NI ELVIS & NI mydaq Instruments Digital Multimeter) Włącz zasilanie górnej płyty prototypowej Dla pięciu różnych wartości napięcia zasilania (ustawionych za pomocą pulpitu zasilacza regulowanego na ekranie komputera) odczytaj z mierników natężenie prądu płynącego przez rezystor oraz napięcie na rezystorze; wyniki pomiarów wstaw do poniższej tabeli Tabela 1: Wyniki pomiarów dla rezystora L.p. U [V] I [ma] R=U/I [kω] 1. 2. 3. 4. 5. Wyłącz zasilanie górnej płyty prototypowej Oblicz wartość ilorazu U/I dla każdego pomiaru. Czy wartość tego ilorazu zależy od U? Jakie prawo teorii obwodów zostało zweryfikowane? Oblicz średnią wartość ilorazu U/I i porównaj z wartością nominalną rezystancji odczytaną z kodu paskowego rezystora. Czy wartość rezystancji uzyskana z pomiarów jest zgodna z wartością nominalną? Wykreśl zależność natężenia prądu płynącego przez dany rezystor od napięcia elektrycznego na rezystorze I=f(U). Określ i uzasadnij określenie rodzaju charakterystyki prądowo-napięciowej rezystora. Na rysunku 9 pokazano sposób wykonania poprawnego połączenia. 5. PODSUMOWANIE W wyniku przeprowadzonego ćwiczenia, a także ćwiczeń poprzednich student powinien nabyć bądź utrwalić następujące umiejętności: Zastosowanie prawa Ohma do analizy prostych obwodów elektrycznych; Rozróżnianie połączenia szeregowego od równoległego oraz umiejętność opisu zależności pomiędzy wielkościami elektrycznymi, zachodzących w przypadku takich połączeń; Poprawnego włączania woltomierza i amperomierza do obwodu elektrycznego oraz wykonywania pomiarów podstawowych wielkości elektrycznych w obwodach prądu stałego; Strona 8 z 10
Rys. 9. Realizacja układu do badania prawa Ohma. Rys. 10. Podłączenie układu pomiarowego Strona 9 z 10
6. LITERATURA [1] Horowitz P., Hill W.: Sztuka Elektroniki cz. 1, wydanie 9, WKŁ, Warszawa 2009 [2] Kuphaldt T. R.: Lessons In Electric Circuits, Volume VI Experiments, http://www.ibiblio.org/kuphaldt/electriccircuits/exper/index.html (dostęp październik 2010) [3] Kuphaldt T. R.: Lessons In Electric Circuits, Volume I DC, http://www.ibiblio.org/kuphaldt/electriccircuits/dc/index.html (dostęp październik 2010) [4] Rusek M., Pasierbiński J.: Elementy i układy elektroniczne w pytaniach i odpowiedziach, WNT, Warszawa, 2006. Strona 10 z 10