Коваленок, В. А. Комаров АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ С УДАЛЕННЫМ ДОСТУПОМ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ Допущено УМО вузов РФ по образованию в области радиотехники,
электроники, биомедицинской техники и автоматизации в качестве учебного пособия для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки 210400 «Радиотехника», 12.05.2011
Красноярск
СФУ
2011
1
УДК 621. <...> ISBN 978-5-7638-2340-0
Рассмотрены технология, аппаратно-программное и методическое
обеспечение автоматизированного лабораторного практикума по экспериментальному исследованию электрических цепей с удаленным многопользовательским доступом к объектам исследования и средствам измерения
и моделированию их на ПЭВМ с помощью системы автоматизированного
проектирования Altium Designer 6. <...> Совместно с экспериментальными исследованиями практикум включает также исследования электрических цепей
путем моделирования их на ПЭВМ с помощью системы автоматизированного проектирования Altium Designer 6 (AD6). <...> Под системой автоматизированного лабораторного практикума
с удаленным доступом понимается комплекс технических, программных, телекоммуникационных и методических средств, обеспечивающих автоматизированное проведение лабораторных работ на территориально удаленных от обучаемого физических объектах (лабораторных макетах, стендах, установках) и (или) математических моделях
[ОСТ 9.2–98]. <...> Измерительное ПО клиента выполняет также прием результатов измерения с ПЭВМ-измерителя, их алгоритмическую обработку, цифровое и графическое представление, курсорные измерения, сохранение, формирование отчета и другие функции. <...> Управление лабораторным макетом и процессом измерения в ней
осуществляется с помощью измерительного ПО, установленного на
ПЭВМ клиента, через визуальный интерфейс реализованых в LabVIEW виртуальных измерительных приборов и виртуальных стендов. <...> АЛМ
включает 6 объектных модулей, состоящих из трех однотипных
функциональных субмодулей <...>
Автоматизированный_лабораторный_практикум_с_удаленным_доступом_для_исследования_электрических_цепей.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации
Сибирский федеральный университет
В. И. Вепринцев, А. С. Глинченко
В. И. Коваленок, В. А. Комаров
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
С УДАЛЕННЫМ ДОСТУПОМ
ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ
Допущено УМО вузов РФ по образованию в области радиотехники,
электроники, биомедицинской техники и автоматизации в качестве учебного
пособия для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки
210400 «Радиотехника», 12.05.2011
Красноярск
СФУ
2011
1
Стр.2
УДК 621. 31:681. 51(07)
ББК 31.277я73
В30
Рецензент
Е. Б. Соловьев, д-р техн. наук, проф., зав. каф. теоретических основ
электротехники СПб ГЭТУ «ЛЭТИ»
Вепринцев, В. И.
В30
Автоматизированный лабораторный практикум с удаленным
доступом для исследования электрических цепей: учеб. пособие /
В. И. Вепринцев, А. С. Глинченко, В. И. Коваленок, В. А. Комаров.
– Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2011. – 188 с.
ISBN 978-5-7638-2340-0
Рассмотрены технология, аппаратно-программное и методическое
обеспечение автоматизированного лабораторного практикума по экспериментальному
исследованию электрических цепей с удаленным многопользовательским
доступом к объектам исследования и средствам измерения
и моделированию их на ПЭВМ с помощью системы автоматизированного
проектирования Altium Designer 6.
Практикум включает 13 лабораторных работ по исследованию цепей
первого и второго порядка, избирательных (резонансных) цепей и различных
электрических фильтров.
Рекомендуется студентам и учащимся технических вузов, колледжей,
профессиональных училищ и лицеев для использования в лабораторном
практикуме дисциплины «Основы теории цепей» и родственных с ней дисциплин
– теоретических основ электротехники, общей электротехники, общей
электротехники и электроники и др.
УДК 621. 31:681. 51(07)
ББК 31.277я73
ISBN 978-5-7638-2340-0
2
© Сибирский федеральный университет, 2011
Стр.3
ВВЕДЕНИЕ
Среди дисциплин, составляющих основу базовой подготовки
специалистов по разработке и эксплуатации современной радиоэлектронной
аппаратуры, важное место отводится курсу «Основы теории
цепей» (ОТЦ). Содержание его составляют задачи анализа и синтеза
электрических цепей и изучение установившихся и переходных процессов
в них. Наряду с теоретическим обучением, данный курс предполагает
и достаточно большой объем экспериментальных исследований.
В соответствии с традиционной технологией они реализуются
по схеме: обучаемый – исследуемый лабораторный макет – комплекс
используемых измерительных приборов. Очевидно, что техническое
обеспечение такого лабораторного практикума является очень затратным,
как и его обслуживание и модернизация. Альтернативное решение
этой проблемы предлагают современные информационные технологии
– сетевые и измерительные, реализуемые системой автоматизированного
лабораторного практикума с удаленным доступом (АЛП
УД). Ядром системы АЛП УД является общий для всех обучаемых
аппаратно-программный комплекс с удаленным многопользовательским
сетевым доступом (АПК УД), состоящий из исследуемого автоматизированного
лабораторного макета и многофункционального
ПЭВМ-измерителя.
Такая система и комплекс разработаны в СФУ для экспериментального
исследования линейных электрических цепей, изучаемых
в дисциплине «Основы теории цепей». Описанию автоматизированного
лабораторного практикума с их применением и посвящено данное
учебное пособие. Совместно с экспериментальными исследованиями
практикум включает также исследования электрических цепей
путем моделирования их на ПЭВМ с помощью системы автоматизированного
проектирования Altium Designer 6 (AD6).
Целями лабораторного практикума являются проверка и закрепление
изучаемых в теоретическом курсе физических процессов в линейных
электрических цепях и методов их анализа, практическое освоение
методов и средств экспериментального исследования и их моделирования,
сопоставление и анализ возможных причин расхождения
теоретических результатов, результатов физического эксперимента
и моделирования.
3
Стр.4
Введение
Средствами АПК УД ОТЦ и моделирования на ПЭВМ обеспечиваются
лабораторные исследования частотных характеристик линейных
электрических цепей и переходных процессов в них при различных
видах входных воздействий.
Практикум включает 13 лабораторных работ по исследованию
цепей первого и второго порядка, избирательных (резонансных) цепей
и различных электрических фильтров.
Учебное пособие состоит их 3 глав.
В главе 1 приводятся общие принципы построения и структуры
системы АЛП УД ОТЦ и аппаратно-программного комплекса АПК
УД ОТЦ, необходимые для понимания особенностей лабораторных
исследований, проводимых с их помощью.
Глава 2 посвящена вопросам исследования электрических цепей
посредством моделирования на ПЭВМ, выполняемого на основе их
математических моделей. Моделирование включает анализ переходных
процессов, частотный анализ и параметрический анализ электрических
цепей.
В главе 3 содержится методическое обеспечение лабораторных
работ по исследованию частотных и переходных характеристик электрических
цепей. Методическое обеспечение включает организацию
исследований в системе АЛП УД ОТЦ, краткие теоретические сведения
к работе, задания по подготовке и ее выполнению, методику выполнения,
требования к содержанию отчета и контрольные вопросы.
Учебное пособие рекомендуется студентам и учащимся технических
вузов, колледжей профессиональных училищ и лицеев для использования
в лабораторном практикуме дисциплины «Основы теории
цепей» и родственных с ней дисциплин – теоретических основ
электротехники, общей электротехники, общей электротехники
и электроники и др.
Авторы выражают благодарность В. И. Сердюку и Д. В. Худоногову
за участие в создании и технической поддержке системы АЛП
УД «Основы теории цепей».
4
Стр.5
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ........................................................................................................ 3
Глава 1. Принципы построения и состав системы автоматизированного
лабораторного практикума с удаленным доступом
«Основы теории цепей» ..................................................... 5
1.1. Состав и структура системы АЛП УД ....................................... 5
1.2. Аппаратно-программный комплекс АПК УД ОТЦ .................. 9
1.2.1. Автоматизированный лабораторный макет АЛМ УД
ОТЦ ..................................................................................... 9
1.2.2. Комплекс виртуальных измерительных приборов .......... 12
Глава 2. Программно-методическое обеспечение исследования
электрических цепей посредством моделирования на
ПЭВМ ............................................................................................ 19
2.1. Общая характеристика среды AD6 ............................................ 19
2. 2. Библиотека файлов проектов по моделированию электрических
цепей ..................................................................................... 19
2.3. Начало работы в среде AD6. Среда проектирования Design
Explorer ......................................................................................... 21
2.4. Редактирование эквивалентных схем замещения .................... 23
2.4.1. Размещение элементов на поле редактора схем .............. 23
2.4.2. Прорисовка связей .............................................................. 27
2.4.3. Цепи и метки цепей ............................................................ 29
2.5. Анализ электрических цепей средствами математического
моделирования ............................................................................. 30
2.5.1. Подготовка схемы для моделирования ............................. 30
2.5.2. Анализ переходных процессов .......................................... 32
2.5.3. Частотный анализ ................................................................ 35
2.5.4. Параметрический анализ .................................................... 40
2.5.5. Обработка и сохранение результатов моделирования .... 42
Глава 3. Описание лабораторных работ по исследованию электрических
цепей ........................................................................... 44
Лабораторная работа № 1.
Исследование простейших цепей переменного тока ................. 47
Лабораторная работа № 2.
Исследование последовательного колебательного контура ...... 61
186
Стр.187
Оглавление
Лабораторная работа № 3.
Исследование параллельного колебательного контура ............. 73
Лабораторная работа № 4.
Исследование связанных контуров .............................................. 83
Лабораторная работа № 5.
Исследование переходных процессов в RL-цепи ....................... 97
Лабораторная работа № 6.
Исследование переходных процессов в RC-цепи ....................... 109
Лабораторная работа № 7.
Исследование переходных процессов в цепях второго порядка 117
Лабораторная работа № 8.
Исследование характеристик фильтров нижних частот ............ 131
Лабораторная работа № 9.
Исследование характеристик фильтров верхних частот ........... 144
Лабораторная работа № 10.
Исследование характеристик полосовых и заграждающих
фильтров .......................................................................................... 149
Лабораторная работа № 11.
Исследование фильтров нижних и верхних частот типа m ....... 158
Лабораторная работа № 12.
Исследование характеристик каскадного согласованного соединения
звеньев km ФНЧ и ФВЧ ................................................ 169
Лабораторная работа № 13.
Исследование характеристик безындукционных фильтров ...... 174
Заключение ................................................................................................... 184
Библиографический список ...................................................................... 185
187
Стр.188