На сегодняшний день аналого-цифровые (АЦП) и цифро-аналоговые (ЦАП) преобразователи изучаются в транспортных вузах в курсах электроники и схемотехники в рамках различных направлений подготовки бакалавров и специалистов технической направленности. Неотъемлемой частью данных курсов является лабораторный практикум, в ходе прохождения которого студенты закрепляют изученный теоретический материал, проводят необходимые измерения и оценивают полученные результаты.
Традиционный стенд для изучения электронных устройств включает, как правило, несколько источников постоянного и переменного напряжения и тока, измерительные генераторы сигналов различной формы и регистрационную часть – набор электро- и радиоизмерительных приборов (измерители напряжения, тока, частоты, электронный осциллограф и т.п.). В ходе типовой лабораторной работы студенты проводят измерения выходных сигналов (или их временных зависимостей) некоторой электронной схемы, изменяя параметры входных сигналов, а затем строят соответствующие графические характеристики, на основании которых делаются выводы или проводятся расчеты тех или иных параметров схемы. При этом отсчет измеренных значений электрических величин производится визуально, а последующая обработка полученных данных – вручную с применением электронных калькуляторов. Оформление итогового отчета по лабораторной работе вместе со схемами, таблицами данных, графиками и выводами также делается вручную, что занимает у студентов много времени, в связи с чем обсуждение и осмысливание полученных результатов, что на наш взгляд является главным итогом лабораторной работы, отходит на второй план.
Очевидно, что такая схема выполнения лабораторных работ является не только морально устаревшей и не эффективной, но и не имеет перспектив в плане освоения студентами современных технологий сбора и обработки данных, приобретающих в последнее время все большее распространение во всех областях народного хозяйства, в том числе и на железнодорожном транспорте.
Развитие компьютерных технологий и появление доступных и программ моделирования электронных устройств позволяет в определенной степени заменить натурный эксперимент его виртуальными моделями. Данный подход получил широкое распространение и для проведения лабораторных работ по электронике и смежным дисциплинам [1-2], при этом наряду с уменьшением затрат, связанных с приобретением оборудования, удается автоматизировать процесс «измерений» и обработки результатов. В то же время, очевидно, что виртуальный эксперимент, который представляется, по сути, в виде видеоряда на экране компьютера, не дает возможности, во-первых, ознакомиться с реальной элементной базой современной электроники – студент просто не представляет, как выглядят радиодетали, с которыми ему в будущем предстоит иметь дело. Во-вторых, экранные «измерительные приборы» имеют мало общего с настоящими, в связи с чем формирование навыков работы с ними маловероятно.
Следует отметить, что в последние годы широкое распространение получили компьютеризированные лабораторные стенды для проведения практикумов по электротехническим дисциплинам, представляющие собой панели с набором элементов и измерительных приборов для проведения некоторого заранее заданного перечня лабораторных работ с возможностью автоматизации измерений и обработки результатов. Наряду с высокой стоимостью, такие стенды обычно отличает невозможность модернизации аппаратного и программного обеспечения, что делает их применение узко направленным на конкретных студентов, обладающих определенным уровнем знаний и навыков, в то время как в условиях транспортного вуза электронику и смежные дисциплины изучают студенты различных специальностей и базового уровня знаний.
Создание лабораторного практикума по изучению реальных АЦП и ЦАП связано с определенными трудностями. Это касается, во-первых, выбора элементной базы. Используемые интегральные микросхемы должны быть доступны и сравнительно несложны в применении в плане обеспечения электропитания и минимума дополнительных деталей. Параметры АЦП и ЦАП должны представлять интерес с точки зрения их определения и изучения. Измерения должны проводиться в ручном или автоматическом режимах с возможностью представления результатов в различном виде с последующей обработкой. При этом эксперимент должен быть вариативным в смысле глубины подхода и его последующего обсуждения и осмысливания. Перечисленные условия были выполнены при создании стенда для изучения АЦП и ЦАП на основе технологий фирмы National Instruments: программного комплекса NI LabVIEW [3] и универсальной рабочей станции NI ELVIS [4].
Принципиальная электрическая схема аппаратной части стенда приведена на рис. 1.
Рис. 1. Принципиальная электрическая схема аппаратной части стенда для изучения АЦП и ЦАП
В стенде используется интегральные микросхемы АЦП AD7819 и ЦАП TLC7524. Их основные параметры [5,6] приведены в таблице 1.
Таблица 1.
|
Параметр |
AD7819 |
TLC7524 |
|
Разрядность преобразователя |
8 бит |
8 бит |
|
Время установки |
4,5 мкс |
0,1 мкс |
|
Цифровой интерфейс |
Параллельный |
Параллельный |
|
Напряжение питания |
5 В |
5 В |
|
Потребляемая мощность |
17,5 мВт |
5 мВт |
|
Диапазон рабочих температур |
-40…105°С |
0…70°С |
Для работы ЦАП в режиме преобразователя код –> положительное напряжение используется сдвоенный внешний операционный усилитель LM358, подстроечным резистором 10 КОм устанавливается точная величина выходного напряжения. Следует отметить, что применяемые в стенде микросхемы доступны и дешевы, их отличает высокая помехоустойчивость, а разрядность 8 бит обеспечивает необходимую точность измерений.
Программная часть стенда – это виртуальный прибор LabVIEW, организованный в виде иерархической структуры. Сначала запускается основная программа, которая позволяет выбрать одну из четырех подпрограмм для исследования различных характеристик и параметров аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей. Внешний вид лицевой панели основного прибора приведен на рис. 2.
Рис. 2. Внешний вид лицевой панели основного прибора лабораторной работы для изучения АЦП и ЦАП
В базовом варианте работа включает четыре задания, их перечень при необходимости может быть сужен или расширен путем модернизации программного обеспечения. Как пример выполнения задания №2, на рис. 3а и рис. 3б приведены характеристики преобразования ЦАП при величинах разрядности 2 и 4 соответственно, что позволяет оценить влияние параметров ЦАП на точность преобразования. На рис. 4 показаны итоги выполнения задания №4: результаты измерений и расчет погрешности преобразования 8-и разрядного ЦАП во всем диапазоне выходных напряжений с сохранением результатов для последующего анализа.
Методическое обеспечение стенда состоит из теоретического введения об устройстве и параметрах изучаемых АЦП и ЦАП, описания аппаратной и программной частей стенда и порядка работы с ним. Далее приводятся перечень заданий и варианты их выполнения, рекомендации по оформлению отчета и список контрольных вопросов к процедуре защиты лабораторных работ.
а 
б
Рис. 3. Результат выполнения задания 2.
Характеристики преобразования ЦАП при разрядности: а – 2; б – 4.
Рис. 4. Расчет погрешностей преобразования 8-и разрядного ЦАП