LabVIEW: практикум по электронике и микропроцессорной технике
Учебное пособие для вузов
Покупка
Тематика:
Микроэлектроника. Наноэлектроника
Издательство:
ДМК Пресс
Авторы:
Батоврин Виктор Константинович, Бессонов Алексей Станиславович, Мошкин Владимир Валентинович
Год издания: 2023
Кол-во страниц: 183
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-89818-368-4
Артикул: 615853.03.99
Доступ онлайн
В корзину
Книга содержит лабораторный практикум по электронике и микропроцессорной технике. Практикум включает лабораторные работы по аналоговой и цифровой электронике, разработанные с использованием технологии виртуальных приборов. Практическая реализация осуществлена в программной среде LabVIEW с помощью инструментальных средств компании National Instruments. Издание предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Приборостроение» и изучающих курс «Электроника и микропроцессорная техника». Оно также может быть использовано студентами других направлений подготовки
и специальностей при изучении курса «Основы электроники» и смежных с ним дисциплин.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 11.03.03: Конструирование и технология электронных средств
- 11.03.04: Электроника и наноэлектроника
- 12.03.01: Приборостроение
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
В. К. Батоврин, А. С. Бессонов, В. В. Мошкин LabVIEW: ПРАКТИКУМ ПО ЭЛЕКТРОНИКЕ И МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ ТЕХНИКЕ Москва, 2023 2-е издание, электронное
УДК 621.38 ББК 32.973.26-108.2 Б28 Б28 Батоврин, Виктор Константинович. LabVIEW: практикум по электронике и микропроцессорной технике : учебное пособие для вузов / В. К. Батоврин, А. С. Бессонов, В. В. Мош- кин. — 2-е изд., эл. — 1 файл pdf : 183 с. — Москва : ДМК Пресс, 2023. — Систем. требования: Adobe Reader XI либо Adobe Digital Editions 4.5 ; экран 10". — Текст : электронный. ISBN 978-5-89818-368-4 Книга содержит лабораторный практикум по электронике и микропроцессорной технике. Практикум включает лабораторные работы по аналоговой и цифровой электронике, разработанные с использованием технологии виртуальных приборов. Практическая реализация осуществлена в программной среде LabVIEW с помощью инструментальных средств компании National Instruments. Издание предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Приборостроение» и изучающих курс «Электроника и микропроцессорная техника». Оно также может быть использовано студентами других направлений подготовки и специальностей при изучении курса «Основы электроники» и смежных с ним дисциплин. УДК 621.38 ББК 32.973.26-108.2 Электронное издание на основе печатного издания: LabVIEW: практикум по электронике и микропроцессорной технике : учебное пособие для вузов / В. К. Батоврин, А. С. Бессонов, В. В. Мошкин. — Москва : ДМК Пресс, 2014. — 182 с. — ISBN 978-5-94074-525-9. — Текст : непосредственный. Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами без письменного разрешения владельцев авторских прав. Материал, изложенный в данной книге, многократно проверен. Но поскольку вероятность технических ошибок все равно существует, издательство не может гарантировать абсолютную точность и правильность приводимых сведений. В связи с этим издательство не несет ответственности за возможные ошибки, связанные с использованием книги. В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами защиты авторских прав, правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации. ISBN 978-5-89818-368-4 © В. К. Батоврин, А. С. Бессонов, В. В. Мошкин © Оформление, ДМК Пресс
Предисловие ................................................................................................................... 7 Введение............................................................................................................................ 9 1 Исследование характеристик полупроводниковых диодов и устройств на их основе ........................................................................14 1. Цель работы.........................................................................................14 2. Сведения, необходимые для выполнения работы ............................14 3. Описание лабораторного стенда......................................................21 4. Рабочее задание..................................................................................21 5. Контрольные вопросы ........................................................................26 2 Исследование характеристик тиристора и управляемого выпрямителя ..............................................................................................27 1. Цель работы.........................................................................................27 2. Сведения, необходимые для выполнения работы ............................27 3. Описание лабораторного стенда......................................................34 4. Рабочее задание..................................................................................34 5. Контрольные вопросы ........................................................................ 38 3 Исследование вольтамперной характеристики туннельного диода ....39 СОДЕРЖАНИЕ
Электроника и микропроцессорная техника 4 1. Цель работы.........................................................................................39 2. Сведения, необходимые для выполнения работы ............................39 3. Описание лабораторного стенда......................................................43 4. Рабочее задание..................................................................................43 5. Контрольные вопросы ........................................................................ 48 4 Исследование характеристик биполярного транзистора ................49 1. Цель работы.........................................................................................49 2. Сведения, необходимые для выполнения работы ............................49 3. Описание лабораторного стенда......................................................56 4. Рабочее задание..................................................................................56 5. Контрольные вопросы ........................................................................62 5 Исследование характеристик полевого транзистора .......................63 1. Цель работы.........................................................................................63 2. Сведения, необходимые для выполнения работы ............................63 3. Описание лабораторного стенда..................................................... 70 4. Рабочее задание................................................................................. 70 5. Контрольные вопросы ........................................................................76 6 Исследование схем на основе операционного усилителя................77 1. Цель работы.........................................................................................77 2. Сведения, необходимые для выполнения работы ............................77 3. Описание лабораторного стенда......................................................86 4. Рабочее задание..................................................................................86 5. Контрольные вопросы ........................................................................97 7 Исследование характеристик аналоговых компараторов напряжения................................................................................................98 1. Цель работы.........................................................................................98
2. Сведения, необходимые для выполнения работы ............................98 3. Описание лабораторного стенда................................................... 106 4. Рабочее задание............................................................................... 106 5. Контрольные вопросы ..................................................................... 112 8 Исследование цифровых систем ........................................................ 114 1. Цель работы...................................................................................... 114 2. Сведения, необходимые для выполнения работы ......................... 114 3. Описание лабораторного стенда................................................... 121 4. Рабочее задание............................................................................... 122 5. Контрольные вопросы ......................................................................135 Приложение 1 Подготовка лабораторного стенда.....................................................137 Персональный компьютер ...................................................................137 Многофункциональная плата аналогового и цифрового вводавывода .........................................................................................137 Макетный коннектор ............................................................................ 141 Приложение 2 Cреда графического программирования LabVIEW ......................... 144 Общие сведения о LabVIEW................................................................ 144 Установка среды LabVIEW ................................................................... 146 Работа с готовыми виртуальными приборами................................... 147 Создание виртуального прибора на базе шаблона .......................... 150 Основные элементы программной среды LabVIEW ..........................157 Приложение 3 Справочные данные некоторых электронных компонентов......... 162 Полупроводниковые диоды ................................................................ 162 Стабилитроны ....................................................................................... 164 Тиристоры............................................................................................. 166 Биполярные транзисторы .................................................................... 167
Электроника и микропроцессорная техника 6 Полевые тразисторы............................................................................ 169 Операционные усилители и компараторы ........................................ 171 Цифровые микросхемы ........................................................................175 Литература Основная литература............................................................................181 Дополнительная литература.................................................................181
В учебном пособии представлен LabVIEW лабораторный практикум по электронике и микропроцессорной технике на основе виртуальных приборов. Книга предназначена для студентов, обучающихся по образовательным программам подготовки бакалавров, дипломированных специалистов и магистров по направлению «Приборостроение» и изучающих дисциплину «Электроника и микропроцессорная техника». Она может быть также использована в качестве учебного пособия при изучении смежных дисциплин студентами других направлений подготовки и специальностей. Поэтому все работы лабораторного практикума предваряются кратким теоретическим введением. Использование технологии виртуальных приборов в учебном процессе – новое дело, поэтому при выборе тематики работ мы ориентировались на те разделы курса, которые традиционно сопровождаются выполнением лабораторных работ. Это, в частности, изучение характеристик основных аналоговых полупроводниковых приборов и устройств на их основе, а также элементной базы цифровых устройств. По мере накопления опыта использования практикума в учебном процессе предполагается расширить спектр выполняемых работ. При создании учебного пособия важное место заняла разработка программного обеспечения (свидетельство Роспатента о регистрации № 2003611728 от 22.07.2003 г.). Следует отметить, что Роспатент впервые в России зарегистрировал программное обеспечение представленного типа. При выборе средcтв разработки приложений мы исходили из соображений удобства программирования и необходимости придания системе лабораторного практикума максимальной гибкости и открытости, включая обеспечение переносимости, масштабируемости и интероперабельности, с целью формирования потенциала для интеграции в единую информационную образовательную среду. В результате в качестве инструментальной среды разработки был выбран прикладной программный пакет LabVIEW. Кроме того, мы предполагали, что студенты должны получить возможность выполнения работ как с локального рабочего места в рамках традиционно организованного учебного процесса, так и в режиме удаленного доступа, используя ресурсы Intranet/Internet сетей. Эта цель достигнута, но надо иметь в виду, что современные сетевые технологии в сочетании с технологией виртуальных приборов позволяют проводить активный эксперимент с одной рабочей станции, при этом студенты, работающие на других рабочих станциях, могут Предисловие
Электроника и микропроцессорная техника 8 только наблюдать за ходом эксперимента. Эта особенность должна учитываться при создании учебной лаборатории с виртуальными приборами. Учебное пособие и прикладное программное обеспечение лабораторного практикума написаны коллективом преподавателей кафедры информационных систем Московского государственного института радиотехники, электроники и автоматики (технический университет) – МИРЭА на основе опыта применения LabVIEW программного обеспечения в учебном процессе. При разработке лабораторной работы № 3 «Исследование вольтамперной характеристики туннельного диода» использованы материалы, предоставленные Ю. В. Пыльновым. Все критические замечания и пожелания по содержанию книги и в отношении программного обеспечения будут с благодарностью приняты авторами. Отзывы следует направлять по адресу: batovrin@mirea.ru.
Современные информационные технологии предоставляют хорошие возможности для создания новых средств и способов обучения. Одной из важнейших и наиболее трудных в решении задач здесь является разработка компьютерных лабораторных практикумов. Основу лабораторного практикума по любым дисциплинам составляет комплекс средств измерений, соединенных с лабораторными макетами, с помощью которых воспроизводятся изучаемые явления и процессы. До настоящего времени в учебных лабораториях в основном использовались традиционные измерительные приборы. Современной тенденцией стало применение в учебных целях компьютерных средств измерений, созданных с использованием технологии виртуальных приборов. Виртуальный прибор (ВП) в учебной лаборатории – это средство измерений, представляющее собой, как правило, персональный компьютер, снабженный дополнительно специальным прикладным программным обеспечением и различными измерительными модулями, например многофункциональной платой вводавывода. ВП позволяет автоматизировать операции по сбору, обработке и представлению измерительной информации, имеет удобный пользовательский интерфейс, а его программные и аппаратные средства поддерживают реализацию функций, присущих традиционному средству измерений, и обеспечивают представление результатов на экране монитора в удобной для пользователя форме. Схема ВП, используемого в лабораторном практикуме, представлена на рис. В.1. Программное обеспечение ВП может разрабатываться как с помощью стандартных средств, таких как Visual C++, Visual Basic и т. п., так и с помощью программных средств, специально предназначенных для решения задач сбора, преобразования и обработки измерительной информации. Сегодня среди таких специализированных программных средств наиболее подходящим можно считать прикладной программный пакет LabVIEW компании National Instruments. Представленные на рынке аппаратные средства автоматизации измерительных процессов и процедур почти всегда комплектуются драйверами под LabVIEW. Разработка приложений в данной среде ведется визуальными средствами, что не требует от разработчика глубоких знаний программирования. Для выполнения работ практикума потребуется базовый лабораторный стенд, оснащенный современным персональным компьютером (ПК), снабженным опеВведение
Электроника и микропроцессорная техника 10 Рис. В.1. Схема виртуального прибора
Введение рационной системой Windows 9x или более старших версий и специализированным набором аппаратных средств, а также оригинальное прикладное программное обеспечение. При выборе аппаратных средств, в частности многофункциональной платы аналогового и цифрового вводавывода, необходимой для создания ВП, мы предпочли плату PCI6024E, предназначенную для установки в PCI совместимые ПК. При выборе шасси для создания лабораторных макетов мы остановились на макетном коннекторе SC2075, на котором и собираются электрические схемы всех лабораторных работ. Эти устройства, выпускаемые компанией National Instruments, сравнительно дешевы и хорошо подходят для решения учебных задач. На рис. В.2 показан внешний вид лабораторного стенда, а на рис. В.3 – его компоненты: многофункциональная плата вводавывода PCI6024E, макетный коннектор SC2075 и соединительный кабель SH6868EP. Рис. В.2. Внешний вид базового лабораторного стенда Рис. В.3. Внешний вид многофункциональной платы вводавывода (1), макетного коннектора (2) и соединительного кабеля (3)
Электроника и микропроцессорная техника 12 Прикладное программное обеспечение представленного в учебном пособии лабораторного практикума является оригинальной разработкой авторов книги и спроектировано в среде LabVIEW версии 7.0. Режим дистанционного доступа к ресурсам лабораторного практикума реализуется по технологии National Instruments. Порядок выполнения процедуры инсталляции лабораторного практикума и инструкции по работе с LabVIEW программным обеспечением, содержатся в Приложениях П.1 и П.2 и на прилагаемом к книге компактдиске. Во всех случаях при выполнении приведенных в учебном пособии лабораторных работ студент работает только с лицевой панелью ВП, диаграмма, необходимая для разработки ВП, ему не доступна. Лицевая панель определяет внешний вид ВП и интерфейс взаимодействия пользователя с ним. На лицевой панели находятся различные элементы управления ВП (выключатели, переключатели, поля ввода и т. д.) и элементы отображения измерительной информации (цифровые индикаторы, графические экраны и т. д.). Предоставляемый интерфейс пользователя прост, поэтому при выполнении заданий требуются только обычные навыки владения персональным компьютером и, конечно, понимание целей и задач, которые ставятся в лабораторной работе. В зависимости от принятой в конкретной учебной лаборатории методики выполнения работ при их проведении можно реализовать два режима, а именно: • в процессе занятий студенты самостоятельно собирают исследуемые электронные схемы на наборном поле макетного коннектора, подключают точки подачи и съема электрических сигналов с помощью заранее заготовленных проводников к сигнальным линиям платы вводавывода через гнезда зажимного контактора, а потом выполняют необходимые измерения; • в процессе выполнения лабораторной работы студенты могут только визуально ознакомиться с заранее собранными на макетном коннекторе электрическими схемами, после чего выполнить работу, в частности этот режим реализуется при работе с практикумом в сетевой Intranet/Internet среде. Текст учебного пособия написан в расчете на реализацию более сложного первого варианта. При подготовке к выполнению работ необходимо в первую очередь обратить внимание на вопросы, содержащиеся в разделе «Сведения, необходимые для выполнения работы», сопровождающем каждую работу. При этом, помимо теоретического введения, приведенного в каждой работе настоящего пособия, необходимо изучить указанные в тексте задания разделы основной литературы, в случае необходимости полезно воспользоваться и дополнительной литературой. Списки основной и дополнительной литературы приведены в конце учебного пособия. Для выполнения лабораторной работы во всех случаях после запуска компьютера необходимо открыть папку с библиотекой LabVIEW и загрузить программу лабораторной работы (двойной щелчок на имени файла Labn.vi, где n – номер работы). На экране монитора откроется окно, вид которого показан на рис. В.4.
Введение Запуск программы осуществляется нажатием на кнопку RUN с изображением стрелки . В процессе выполнения лабораторной работы необходимо ознакомиться с разделом «Описание лабораторного стенда» и последовательно выполнить все указания, приведенные в разделе работы «РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ». По мере выполнения задания на экране монитора могут, в виде подсказок, возникать дополнительные рекомендации. Результаты измерений и наблюдений можно заносить в отчет сразу же по мере их получения. Для этого удобно использовать текстовый редактор MS Word. Предполагается, что студенты владеют основными приемами формирования и обработки текстов, создания и форматирования таблиц. При выполнении заданий лабораторного практикума следует ориентироваться на указанные в тексте значения электрических параметров включения полупроводниковых приборов и электрических схем. Однако незначительные (в пределах ±10%) отклонения от рекомендованных значений допускаются. Кроме того, отметим, что, используя специализированное программное обеспечение практикума, на собранных макетах можно проводить и дополнительные исследования, не вошедшие в описание работ. Цели и порядок таких работ должны отдельно определяться преподавателем с учетом возможностей платы вводавывода PCI6024E. Для удобства составления отчетов по выполненным работам в описаниях приводится рекомендуемый вид таблиц и указания по сохранению экспериментальных данных в электронной форме. По желанию преподавателя, под руководством которого выполняется работа, требования к отчетным материалам могут быть дополнены или изменены. Лабораторный практикум снабжен тремя приложениями. Приложение 1 содержит рекомендации по сборке лабораторных макетов с использованием макетного коннектора SC2075. В приложении 2 приведены сведения по установке программного обеспечения лабораторного практикума, необходимые сведения по работе с LabVIEW приложениями и некоторые данные по разработке простых ВП в среде LabVIEW. В приложении 3 содержатся данные об основных параметрах электронных приборов, подлежащих исследованию при выполнении работ. Рис. В.4. Внешний вид окна программы LabVIEW
1. Цель работы Целью работы является: • исследование вольтамперной характеристики (ВАХ) выпрямительного полупроводникового диода; • исследование ВАХ полупроводникового стабилитрона; • исследование работы полупроводниковых выпрямителей. 2. Сведения, необходимые для выполнения работы Перед выполнением работы полезно ознакомиться со следующими вопросами: • устройство, назначение и основные характеристики выпрямительных и специальных полупроводниковых диодов [1, с. 20–42]; • ВАХ полупроводниковых приборов [1, с. 23–25, 33–36]; • схемы включения полупроводниковых диодов [1, с. 22, 34–35]; • принципы построения схем и особенности работы диодных выпрямителей [1, с. 321–328]. Полупроводниковый прибор, который имеет два электрода и один (или несколько) рnпереходов, называется диодом. Все полупроводниковые диоды можно разделить на две группы: выпрямительные и специальные. Выпрямительные диоды, как следует из самого названия, предназначены для выпрямления переменного тока. В зависимости от частоты и формы выпрямляемого тока они делятся на низкочастотные, высокочастотные и импульсные. Специальные типы полупроводниковых диодов используют различные свойства рnпереходов, например явление пробоя, фотоэффект, наличие участков с отрицательным сопротивлением и другие. Специальные полупроводниковые диоды находят, в частности, применение для стабилизации постоянного напряжения, регистрации оптического излучения, формирования электрических сигналов и т. д. Исследование характеристик полупроводниковых диодов и устройств на их основе 1
Доступ онлайн
В корзину