Текстовые фрагменты публикации
Исследование
параметров и характеристик
полупроводниковых приборов
с применением
интернеттехнологий
Москва
А. С. Глинченко, Н. М. Егоров,
В. А. Комаров, А. В. Сарафанов
Рекомендовано учебнометодическим объединением вузов
Российской Федерации по образованию в области радиотехники,
электроники, биомедицинской техники и автоматизации
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных
заведений, обучающихся по направлению подготовки 210300
«Радиотехника»
УДК 621.38
ББК
32.973.26108.2
Рецензенты:
Шайдуров В. В., директор Института вычислительного моделирования СО
РАН, членкорреспондент РАН;
Быков Д. В., ректор Московского государственного института электроники и
математики, доктор технических наук, профессор.
Глинченко А. С., Егоров Н. М., Комаров В. А., Сарафанов А. В.
Исследование параметров и характеристик полупроводниковых приборов с при
менением интернеттехнологий: учеб. пособие. – М.: ДМК Пресс. – 352 с.
ISBN 5940744168
В книге рассмотрены задачи, методы и особенности автоматизированного лабо
раторного практикума с удаленным доступом (АЛП УД) по исследованию полу
проводниковых приборов, приведено описание реализующей его системы АЛП УД
«Электроника», в том числе входящего в ее состав аппаратнопрограммного комп
лекса (АПК) «Электроника», разработанного на основе технологии корпорации
National Instruments в региональном инновационном центре «Центр технологий
National Instruments» при ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет».
Приведены задания и методические указания к лабораторным работам по экспери
ментальному исследованию и моделированию полупроводниковых диодов, стаби
литронов, полевых и биполярных транзисторов, включающие измерение их вольт
амперных характеристик и параметров, исследование технологического разброса и
работы на переменном токе.
Издание предназначено для студентов и учащихся технических специальностей
вузов, колледжей, профессиональных училищ и лицеев для использования в лабо
раторном практикуме дисциплины «Электроника» и других родственных дисцип
лин, выполняемом на базе сетевой лаборатории Сибирского федерального округа
с помощью АПК УД «Электроника».
Учебное пособие подготовлено в рамках выполнения инновационной образователь
ной программы по направлению «Информатизация и автоматизированные системы
управления», реализуемой в ФГОУ ВПО СФУ в 2007 г.
На прилагаемом к книге DVDROM находятся интерактивное электронное тех
ническое руководство к АПК УД «Электроника»; демоверсия системы OrCAD 9.1;
файлы проектов для математического моделирования полупроводниковых прибо
ров; система компьютерной проверки знаний тестированием с примерами тестовых
заданий; 30дневная версия LabVIEW 8.5; примеры виртуальных приборов.
Considered are some tasks, methods, and specific features of automated remoteaccess labora
torybased practicum (ARALP) for the research of semiconductorbased devices. The description
covers its realizing system «Electronics» ARALP, including its incorporated hardwareandsoft
ware complex «Electronics». That was developed on the base of National Instruments technologies
at the Regional Center «National Instruments Technology Center» [http://sfukras.ru/studies/
sdo/ni], affiliated with Federal State Education Institution of Higher Professional Education (FSE
IHP) «Siberian Federal University». Assignments and methodical guides for laboratorybased
exercises in experimental research and simulation of semiconductorbased diodes, stabilitrons,
unipolar FETs and bipolar transistors, as well as diode characteristic measurements; investigation
of parameter spread and ACbased operations, are given.
The learning complex is designed for students of technical areas at universities, colleges, voca
tional training institutions, and lyceums for applications in laboratorybased practicum studying
«Electronics» or other related subjects, on the base of the Network Laboratory in the Siberian
Federal District [www.alpsib.ru], through «Electronics» ARALP.
ISBN 5940744168
© Оформление, издание, ДМК Пресс
© ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение........................................................................................................................ 10
1
Автоматизированный лабораторный практикум
с удаленным доступом на базе технологий National Instruments ...... 14
1.1. Обобщенная схема построения АЛП УД .................................................... 14
1.2. Компьютерные измерительные технологии National Instruments .......... 16
1.3. Обобщенная схема построения систем АЛП УД с применением
технологий National Instruments.............................................................................. 22
1.4. Система АЛП УД «Электроника» .................................................................... 24
1.4.1. Функциональные характеристики АПК УД «Электроника»......................... 24
1.4.2. Исследования, выполняемые с помощью моделирования на ПЭВМ .........28
1.4.3. Интерактивное электронное техническое руководство ............................ 29
1.4.4. Электронная система тестирования ............................................................. 30
1.4.5. Организация лабораторного практикума на базе сетевой
лаборатории ..............................................................................................................31
2
Методы и средства измерения вольтамперных характеристик
и параметров полупроводниковых приборов ...........................................34
2.1. Измерение ВАХ полупроводниковых приборов методом
вольтметраамперметра ............................................................................................34
2.2. Определение параметров полупроводниковых приборов методом
вольтметраамперметра ........................................................................................... 36
2.3. Схемы измерения ВАХ и параметров полупроводниковых приборов,
основанные на измерении напряжений ................................................................37
Исследование параметров и характеристик приборов
4
2.4. Способы измерения ВАХ и параметров полупроводниковых
приборов ..................................................................................................................... 41
2.5. Средства, используемые для измерения ВАХ и параметров
полупроводниковых приборов .............................................................................. 42
2.6. Традиционные средства измерения ВАХ и параметров
полупроводниковых приборов .............................................................................. 42
2.7. Средства измерения ВАХ и параметров полупроводниковых
приборов на базе ПЭВМ .......................................................................................... 44
3
Аппаратнопрограммный комплекс с удаленным
доступом «Электроника» .......................................................................................48
3.1. Конфигурация АПК «Электроника» и его инструментальное
обеспечение.................................................................................................................48
3.2. Автоматизированный лабораторный макет АПК «Электроника» .......... 50
3.3. Клиентское программное обеспечение АПК «Электроника» .................55
3.4. Виртуальные стенды для лабораторных исследований ВАХ
и параметров полупроводниковых приборов .................................................... 58
3.4.1. Виртуальный лабораторный стенд по измерению и исследованию ВАХ
и параметров выпрямительных диодов ................................................................... 58
3.4.2. Виртуальный лабораторный стенд по измерению и исследованию ВАХ
и параметров стабилитронов .................................................................................. 62
3.4.3. Виртуальный лабораторный стенд по измерению и исследованию ВАХ
и параметров полевых транзисторов ..................................................................... 66
3.4.4. Виртуальный лабораторный стенд по измерению и исследованию ВАХ
и параметров биполярных транзисторов ...............................................................73
3.5. Виртуальные стенды для лабораторных исследований
технологического разброса ВАХ и параметров полупроводниковых
приборов ......................................................................................................................82
3.5.1. Виртуальный лабораторный стенд по измерению и исследованию
технологического разброса ВАХ и параметров выпрямительных диодов ..........82
3.5.2. Виртуальный лабораторный стенд по измерению и исследованию
технологического разброса ВАХ и параметров стабилитронов .......................... 85
3.5.3. Виртуальный лабораторный стенд по измерению и исследованию
технологического разброса ВАХ и параметров полевых транзисторов .............89
Оглавление
3.5.4. Виртуальный лабораторный стенд по измерению и исследованию
технологического разброса ВАХ и параметров биполярных транзисторов ..... 94
3.6. Виртуальные стенды для лабораторных исследований
полупроводниковых приборов на переменном токе .......................................98
3.6.1. Виртуальный лабораторный стенд по исследованию работы
на переменном токе выпрямительных диодов........................................................98
3.6.2. Виртуальный лабораторный стенд по исследованию работы
на переменном токе стабилитронов .................................................................... 101
3.6.3. Виртуальный лабораторный стенд по исследованию работы
на переменном токе полевых транзисторов ....................................................... 104
3.6.4. Виртуальный лабораторный стенд по исследованию работы
на переменном токе биполярных транзисторов ................................................. 108
4
Исследование полупроводниковых приборов посредством
моделирования на ПЭВМ ..................................................................................... 113
4.1. Модели, средства и технология исследования полупроводниковых
приборов с помощью моделирования на ПЭВМ ............................................. 113
4.2. Исследование на ПЭВМ выпрямительных диодов ................................... 117
4.2.1. Исследование ВАХ и параметров выпрямительного диода .................... 117
4.2.1.1. Методика исследования прямой ветви ВАХ
выпрямительного диода ....................................................................................... 118
4.2.1.2. Методика исследования обратной ветви ВАХ
выпрямительного диода ....................................................................................... 120
4.2.2. Исследование технологического разброса ВАХ
и параметров выпрямительных диодов ................................................................ 121
4.2.2.1. Методика исследования технологического разброса ВАХ
и параметров выпрямительного диода .............................................................. 122
4.2.3. Исследование работы выпрямительного диода на переменном токе ... 124
4.2.3.1. Методика исследования работы выпрямительного диода
в схеме однополупериодного выпрямителя ..................................................... 124
4.2.3.2. Методика исследования работы выпрямительного диода
в схеме двухполупериодного выпрямителя....................................................... 127
4.3. Исследование на ПЭВМ стабилитронов ..................................................... 130
4.3.1. Исследование ВАХ и параметров стабилитрона ...................................... 130
Исследование параметров и характеристик приборов
6
4.3.1.1. Методика исследования прямой и обратной ветвей ВАХ
стабилитрона ........................................................................................................ 130
4.3.1.2. Методика исследования характеристик стабилизации Uст = f(E)
при различных сопротивлениях нагрузки стабилитрона.................................. 132
4.3.1.3. Методика исследования нагрузочных характеристик стабилитрона
Uст = f(Iн) .............................................................................................................. 133
4.3.2. Исследование технологического разброса ВАХ и параметров
стабилитрона........................................................................................................... 137
4.3.2.1. Методика исследования технологического разброса ВАХ
и параметров стабилитрона ................................................................................ 137
4.3.3. Исследования работы стабилитрона на переменном токе ..................... 139
4.3.3.1. Методика исследования работы стабилитрона на переменном токе .... 139
4.4. Исследование на ПЭВМ полевых транзисторов ...................................... 141
4.4.1. Исследование ВАХ и параметров полевого транзистора ....................... 141
4.4.1.1. Методика исследования статических
передаточных ВАХ полевого транзистора ........................................................ 142
4.4.1.2. Методика исследования статических выходных ВАХ полевого
транзистора .......................................................................................................... 144
4.4.2. Исследование технологического разброса ВАХ и параметров
полевых транзисторов ........................................................................................... 146
4.4.2.1. Методика исследования технологического разброса статических
передаточных ВАХ полевого транзистора ........................................................ 147
4.4.2.2. Методика исследования технологического разброса статических
выходных ВАХ полевого транзистора ................................................................ 148
4.4.3. Исследование работы полевого транзистора на переменном токе ...... 150
4.4.3.1. Методика исследования работы полевого транзистора
на переменном токе............................................................................................. 151
4.4.4. Исследование температурных зависимостей ВАХ и параметров
полевого транзистора ............................................................................................ 153
4.4.4.1. Методика исследования температурной зависимости статических
передаточных ВАХ полевого транзистора ........................................................ 154
4.4.4.2. Методика исследования температурной зависимости статических
выходных ВАХ полевого транзистора ................................................................ 156
4.4.4.3. Методика исследования температурной зависимости крутизны
полевого транзистора.......................................................................................... 158
4.4.5. Исследование частотных свойств полевого транзистора........................ 159
4.5. Исследование на ПЭВМ биполярных транзисторов ............................... 162
Оглавление
4.5.1. Исследование ВАХ и параметров биполярного транзистора................. 162
4.5.1.1. Методика исследования статических входных ВАХ биполярного
транзистора .......................................................................................................... 162
4.5.1.2. Методика исследования статических выходных ВАХ биполярного
транзистора .......................................................................................................... 164
4.5.2. Исследование технологического разброса ВАХ и параметров
биполярного транзистора ..................................................................................... 166
4.5.2.1. Методика исследования технологического разброса статических
входных ВАХ биполярного транзистора ............................................................ 167
4.5.2.2. Методика исследования технологического разброса статических
выходных ВАХ биполярного транзистора.......................................................... 169
4.5.3. Исследование работы биполярного транзистора на переменном токе .... 171
4.5.3.1. Методика исследования работы биполярного транзистора
на переменном токе............................................................................................. 171
4.5.4. Исследование температурных зависимостей ВАХ и параметров
биполярного транзистора ..................................................................................... 173
4.5.4.1. Методика исследования температурной зависимости статических
входных ВАХ биполярного транзистора ............................................................ 173
4.5.4.2. Методика исследования температурной зависимости статических
выходных ВАХ биполярного транзистора.......................................................... 174
4.5.4.3. Методика исследования температурной зависимости
коэффициента усиления по току биполярного транзистора............................ 176
4.5.5. Исследование частотных свойств биполярного транзистора ................. 178
5
Описание лабораторных работ по исследованию
полупроводниковых приборов ....................................................................... 182
Лабораторная работа № 1
Измерение и исследование ВАХ и параметров выпрямительных диодов ..... 182
Лабораторная работа № 2
Исследование технологического разброса ВАХ
и параметров выпрямительных диодов .............................................................. 192
Лабораторная работа № 3
Исследование работы выпрямительных диодов на переменном токе ...... 199
Лабораторная работа № 4
Измерение и исследование ВАХ и параметров стабилитронов ................. 207
Исследование параметров и характеристик приборов
8
Лабораторная работа № 5
Исследование технологического разброса ВАХ
и параметров стабилитронов ............................................................................... 216
Лабораторная работа № 6
Исследование работы стабилитрона на переменном токе .......................... 223
Лабораторная работа № 7
Измерение и исследование ВАХ и параметров полевых транзисторов ... 231
Лабораторная работа № 8
Исследование технологического разброса ВАХ
и параметров полевых транзисторов ................................................................. 247
Лабораторная работа № 9
Исследование работы полевого транзистора на переменном токе.......... 256
Лабораторная работа № 10
Измерение и исследование ВАХ
и параметров биполярных транзисторов .......................................................... 269
Лабораторная работа № 11
Исследование технологического разброса вольтамперных
характеристик и параметров биполярных транзисторов.............................. 282
Лабораторная работа № 12
Исследование работы биполярного транзистора на переменном токе ........ 291
6
Выполнение лабораторных исследований на базе
сетевой лаборатории ........................................................................................... 306
6.1. Основные функциональные характеристики ............................................ 306
6.2. Методика проведения лабораторных исследований ............................. 311
6.2.1. Экспериментальные исследования............................................................. 311
6.2.2. Исследования, проводимые средствами математического
моделирования ....................................................................................................... 313
6.2.3. Дополнительные возможности ................................................................... 314
Заключение................................................................................................................ 316
Список литературы ................................................................................................ 317
Оглавление
Приложение 1
Список используемых сокращений ............................................................... 319
Приложение 2
Описание моделей радиокомпонентов и их параметров ................... 321
Приложение 3
Предельные эксплуатационные данные исследуемых
полупроводниковых приборов ....................................................................... 340
Приложение 4
Варианты заданий.................................................................................................... 342
Введение
Современная электроника охватывает практически все сферы бытовой и профес
сиональной деятельности человека. Изучение ее основ предусмотрено большин
ством образовательных программ систем высшего, среднего и начального профес
сионального образования. Базовыми компонентами современной электроники
являются полупроводниковые приборы и создаваемые на их основе полупровод
никовые интегральные микросхемы. Теоретическое и практическое изучение по
лупроводниковых приборов [1–3] осуществляется в рамках учебных дисциплин
«Электроника», «Электротехника и электроника», «Общая электротехника и
электроника», «Электронная техника», «Электроника и микроэлектроника»,
«Полупроводниковые приборы», «Введение в микропроцессоры и цифровые схе
мы», «Системы автоматического управления и обработки данных» и др. Лабора
торные практикумы этих дисциплин включают исследование наиболее широко
применяемых (базовых) видов полупроводниковых приборов: выпрямительных
диодов, стабилитронов, биполярных и полевых транзисторов. Данные виды полу
проводниковых приборов являются объектами исследования и в автоматизиро
ванном лабораторном практикуме (АЛП1), описанию которого посвящено дан
ное учебное пособие.
Лабораторный практикум реализуется с применением системы АЛП с удален
ным доступом (АЛП УД) «Электроника», в состав которой входит аппаратно
программный комплекс с удаленным доступом (АПК УД) «Электроника». АПК
УД разработан в региональном инновационном центре «Центр технологий Natio
nal Instruments» [http://sfukras.ru/studies/sdo/ni] при ФГОУ ВПО «Сибирский
федеральный университет» на основе технологии, инструментальных и программ
ных средств National Instruments (NI) – LabVIEW [4, 5]. Сетевая лаборатория Сибир
ского федерального округа [www.alpsib.ru], на базе которой организуется учебный
процесс с применением систем АЛП УД (в том числе и АЛП УД «Электроника»),
обеспечивает: авторизованный, регламентированный доступ АПК УД методиче
скому и информационному обеспечению лабораторных практикумов, к про
граммному обеспечению, позволяющему выполнять лабораторные исследования
1 Список используемых сокращений приведен в приложении 1.
Введение
средствами математического моделирования; виртуальное общение преподавате
лей, студентов и административного персонала лаборатории и пр.
Выполнение лабораторных исследований в системе АЛП УД [7, 8] осуществ
ляется с помощью сетевых телекоммуникационных технологий с персонального
компьютера, удаленного на любое расстояние от места размещения дистанционно
управляемого исследуемого объекта (лабораторного макета, входящего в состав
АПК), и сопряженных с ним компьютерных средств измерения и управления.
По сравнению с использованием традиционного лабораторного практикума
применение дистанционных компьютерных технологий измерения и управления
существенно сокращает требуемый объем оборудования, расширяет измеритель
ные и исследовательские возможности практикума, повышает его производитель
ность. Система АЛП УД на базе АПК УД «Электроника» позволяет проводить
лабораторные исследования в многопользовательском режиме (режим клиент
сервер) как с учебной группой в специализированной компьютерной лаборатории
или классе, так и индивидуально с любого клиентского персонального компьюте
ра путем подключения к серверу системы АЛП УД с помощью сетей Интернет/
Intranet.
Система АЛП УД включает экспериментальные исследования, выполняемые
с помощью АПК УД «Электроника», и исследования, проводимые с помощью мо
делирования на ПЭВМ на основе демоверсии системы схемотехнического моде
лирования OrCAD 9.1 [www.cadence.com/products/orcad/index.aspx]. Цели лабо
раторного практикума – проверка и закрепление изучаемых в теоретическом
курсе физических принципов работы полупроводниковых приборов, практиче
ское освоение методов и средств их экспериментального исследования и модели
рования, сопоставление теоретических результатов и результатов эксперимента и
моделирования, анализ причин возможного их расхождения.
Средствами АПК УД «Электроника» и моделирования на ПЭВМ обеспечива
ются следующие лабораторные исследования:
• измерение и исследование вольтамперных характеристик (ВАХ) и пара
метров полупроводниковых приборов;
• исследование технологического разброса ВАХ и параметров полупровод
никовых приборов;
• исследование работы полупроводниковых приборов на переменном токе.
Экспериментальные исследования полупроводниковых приборов средствами
АПК «Электроника» основываются на измерении их ВАХ, статических и динами
ческих (дифференциальных) параметров, осциллограмм сигналов при работе
в простейших электронных схемах. По экспериментальным данным находятся
также статические и дифференциальные параметры, используемые в математи
ческих моделях полупроводниковых приборов.
Моделирование на ПЭВМ осуществляется на основе математических моделей
исследуемых в лабораторном практикуме полупроводниковых приборов. Моде
лирование охватывает не только задачи исследования, экспериментально решае
мые средствами АПК «Электроника», но и не реализуемые ими задачи изучения
температурных, частотных и импульсных свойств полупроводниковых приборов,
Исследование параметров и характеристик приборов
12
их поведения при значениях токов и напряжений, близких или превышающих
предельно допустимые.
Практикум включает 12 лабораторных работ по исследованию полупроводни
ковых приборов конкретного вида (выпрямительных диодов, стабилитронов, поле
вых и биполярных транзисторов). В каждой работе с целью сравнения изучаемых
свойств и характеристик предусмотрено исследование двух типов полупроводни
ковых приборов одного вида, различающихся материалом, технологией изготовле
ния или параметрами. Это выпрямительные диоды (германиевые и кремниевые),
кремниевые стабилитроны с разными напряжениями стабилизации, полевые
транзисторы с управляющим р–nпереходом и с изолированным затвором, с кана
лами n и р типа, биполярные транзисторы (германиевые и кремниевые) n–р–n
и р–n–ртипа. Оценка технологического разброса осуществляется путем одно
временного измерения (или расчета по математической модели) ВАХ и парамет
ров группы однотипных полупроводниковых приборов. Распараллеливание
однотипных приборов позволяет проводить их раздельное исследование в соот
ветствии с индивидуальным вариантом.
Учебное пособие состоит из 6 глав.
В главе 1 описываются общие подходы к построению систем АЛП УД, реали
зуемых на основе технологий NI, излагаются необходимые для понимания поль
зователя особенности реализуемых системой АЛП УД дистанционных технологий
измерения, которые по своей информативности и исследовательским возможно
стям превосходят традиционные. В главе также приводится краткое описание
всех составных частей системы АЛП УД «Электроника».
Важным условием эффективности лабораторных исследований является зна
ние и понимание используемых методов и технических средств измерения. Лабора
торные исследования полупроводниковых приборов основываются на измерении
их ВАХ и параметров, поэтому глава 2 учебного пособия посвящена описанию
методов и средств их измерения. Знание методов измерения наряду с другими
вопросами учитывается при защите лабораторных работ.
В главе 3 дается описание АПК УД «Электроника» – его конфигурации, инстру
ментального обеспечения, исследуемого автоматизированного лабораторного ма
кета, состава клиентского программного обеспечения и виртуальных лабораторных
стендов, c помощью которых пользователь проводит лабораторные исследования.
Глава 4 посвящена вопросам исследования полупроводниковых приборов по
средством моделирования на ПЭВМ, выполняемого на основе их математических
моделей.
Глава 5 содержит методическое обеспечение конкретных лабораторных работ
по исследованию полупроводниковых приборов, предусмотренных лаборатор
ным практикумом. Методическое обеспечение включает краткие теоретические
сведения по работе, задание для подготовки к работе, лабораторные задания и ме
тодику выполнения их средствами системы АЛП УД, задания для обработки ре
зультатов измерения, содержание отчета, а так же контрольные вопросы.
Приводимые в учебном пособии лабораторные задания и методические указа
ния по их выполнению составлены, исходя из максимальной реализации исследо
Введение
вательских возможностей, предоставляемых АПК УД «Электроника». Они отве
чают определенному Государственным образовательным стандартом уровню
подготовки инженеров и бакалавров в области электронной техники, радиотехни
ки и связи. Лабораторные задания и указания могут быть легко адаптированы
также к другой дисциплине, форме обучения, специальности или направлению
подготовки с учетом необходимой для них глубины и объема лабораторных ис
следований.
В главе 6 приводится описание основных характеристик сетевой лаборатории,
рассматриваются методические аспекты по организации сетевого доступа через
ресурсы сетевой лаборатории к АПК УД «Электроника», а также выполнению на
ее основе лабораторных работ.
Учебное пособие рекомендуется студентам и учащимся технических вузов,
колледжей, профессиональных училищ и лицеев для использования в лаборатор
ном практикуме дисциплины «Электроника» и других родственных дисциплин,
выполняемом в рамках сетевой лаборатории с помощью АПК УД «Электроника».
Учебное пособие комплектуется DVD, на котором приведено:
• интерактивное электронное техническое руководство (подробная информа
ция об АПК УД «Электроника» [22]): описание структурной схемы; описание
функциональных возможностей АПК; комплект электронной конструктор
ской документации (схемы электрические принципиальные модулей АПК;
чертежи и 3Dмодели конструктивных узлов АПК; 3Dмодель конструкции
АПК в целом с реализацией функции ее декомпозиции и др.); описание
принципов работы с комплексом виртуальных стендов;
• демонстрационная версия системы схемотехнического моделирования
OrCAD 9.1 в комплекте с примерами файловпроектов, содержащих исход
ные данные для выполнения исследований полупроводниковых приборов
посредством моделирования на ПЭВМ;
• демонстрационная версия системы электронного тестирования UniTest 3.0 в
комплекте с двумя банками тестовых заданий для лабораторных работ по
исследованию выпрямительного диода и биполярного транзистора.
Авторы выражают благодарность всем специалистам, которые участвовали
в создании и технической поддержке системы АЛП УД «Электроника» на основе
сетевой лаборатории: О. А. Тронину, В. А. Моисеенко, В. И. Сердюку, А. Г. Суко
ватому, И. Н. Сушкину, Б. М. Бидусу, А. Н. Шниперову, А. В. Казанцеву, В. И. Ко
валенку, Д. В. Худоногову, Ф. В. Зандеру, К. Н. Захарьину, С. И. Трегубову,
А. А. Трухину, Ю. А. КапустинуБогданову. Авторы также признательны руково
дителю образовательных программ Российского представительства National
Instruments П. Р. Сепояну за организационнотехническую поддержку региональ
ного инновационного центра «Центр технологий National Instruments» при ФГОУ
ВПО «Сибирский федеральный университет».
1.1. Обобщенная схема построения АЛП УД
Под АЛП понимаются лабораторные исследования, выполняемые с помощью
компьютерных средств автоматизации, измерения и моделирования. Комплекс
технических, программных и методических средств, обеспечивающих автомати
зированное проведение лабораторных работ на физических объектах (лаборатор
ных макетах, стендах, установках) и (или) математических моделях, образует
в соответствии с ОСТ 9.2–98 систему АЛП. Исследование свойств территориаль
но удаленных от обучаемого объектов осуществляется с помощью систем АЛП
УД, которые относятся к распределенным многопользовательским компьютер
ным системам.
Одна из возможных конфигураций многопользовательской (клиентсервер
ной) системы АЛП УД приведена на рис. 1.1. Она содержит персональные компьюте
Автоматизированный
лабораторный практикум
с удаленным доступом
на базе технологий
National Instruments
1
Рис. 1.1. Вариант базовой конфигурации
аппаратнопрограммных средств системы АЛП УД
ры, подключенные к общей информационновычислительной сети: измеритель
ный персональный компьютер, размещенный на стороне исследуемого объекта
(ПКИ), персональные компьютеры удаленных пользователей/клиентов (ПКК)
и персональный компьютерсервер (ПКС), управляющий установлением связи
и обменом данными между измерительным и клиентскими персональными ком
пьютерами.
С измерительным ПК сопрягается устройство сбора данных (УСД), связыва
ющее его с АЛМ, включающим в себя ИО. Устройство сбора данных выполняет
функции вводавывода измерительных аналоговых и цифровых управляющих
сигналов, которые передаются на исследуемый объект и с исследуемого объекта.
В упрощенном варианте конфигурации системы АЛП УД на ПКсервер могут
быть возложены как функции установления связи и управления обменом данны
ми, так и функции измерительного ПК (ПКСИ, рис. 1.2).
Рис. 1.2. Упрощенная базовая конфигурация
аппаратнопрограммных средств системы АЛП УД
Техническое обеспечение системы АЛП УД содержит ее аппаратное и про
граммное обеспечение. Аппаратное обеспечение включает в свой состав персо
нальные компьютеры, устройства сбора данных и автоматизированные лабора
торные макеты в виде экспериментальных стендов, установок и т. п.
АЛМ, кроме исследуемого объекта (или объектов), содержат элементы сопря
жения, устройства управления и коммутации. Через элементы сопряжения с УСД
на исследуемый объект выводятся тестовые воздействия и управляющие сигналы
и передаются на УСД сигналыотклики исследуемого объекта. С помощью эле
ментов управления и коммутации обеспечивается автоматизированное управле
ние лабораторным макетом.
ПО системы АЛП УД разделяется на сетевое, коммуникационное, измери
тельное, вспомогательное.
Сетевое ПО устанавливается на ПКсервере (ПОС) и управляет установле
нием связи и обменом данными в системе АЛП УД.
Измерительное ПО системы распределяется между измерительным ПК (ПО
ИИ) или измерительным ПКсервером (ПОСИ) и ПК клиента (ПОИК) – кли
ентское измерительное ПО. Измерительное ПО, устанавливаемое на измеритель
ном ПК (или на сервере), непосредственно управляет процессом измерений и
Обобщенная схема построения АЛП УД
Автоматизированный лабораторный практикум
16
формированием массивов (пакетов) результатов измерений, передаваемых кли
енту. Измерительное ПО клиента содержит, как правило, программы лицевых
панелей виртуальных измерительных приборов и/или лабораторных стендов, пу
тем настройки которых формируется траектория измерения и соответствующий
ей пакет заданий, передаваемых на измерительный ПК. Кроме этого, измеритель
ное ПО клиента обеспечивает прием и обработку результатов измерений с изме
рительного ПК, их цифровое и графическое отображение, проведение курсорных
измерений, сохранение результатов измерений, формирование отчета и другие
функции.
Вспомогательное ПО систем АЛП УД предназначено для моделирования
функций лабораторного макета на основе его математической модели, а также
функций, выходящих за пределы технических возможностей макета. Кроме того,
в состав вспомогательного ПО могут входить система электронного тестирова
ния, ИЭТР, дающие визуальное представление обучаемому об исследуемом
объекте на основе 2D и 3Dмоделей (в том числе их декомпозиции), электронной
технической документации, а также различных мультимедийных приложений.
1.2. Компьютерные измерительные технологии
National Instruments
Системы автоматизированного лабораторного практикума с удаленным досту
пом для экспериментального исследования физических объектов основываются
на концепции компьютерных измерений, реализуемой с помощью компьютерных
измерительных технологий. Компьютерные измерения и приборы отличаются от
традиционных использованием персонального компьютера как элемента измери
тельной цепи на всех этапах сбора, обработки, отображения и сохранения измери
тельной информации. Их преимущества заключаются в многофункциональности,
определяемой измерительным ПО, и минимально необходимом и унифицирован
ном аппаратном обеспечении. С помощью средств аппаратного обеспечения осу
ществляется сбор данных с исследуемого объекта и вводвывод данных в ПК, по
этому их называют устройствами сбора данных. Аппаратными средствами сбора
данных в значительной степени определяются технические характеристики ком
пьютерных измерительных приборов и систем. АПК, включающий ПК и УСД,
совместно с ПО образует АССОД. Общая структура аппаратного обеспечения
измерительного комплекса на базе ПК с одним подключенным к нему объектом
исследования приведена на рис. 1.3.
Устройство сбора данных в системе минимальной конфигурации включает
синхронизируемые каналы аналогового и цифрового вводавывода сигналов
(АI, АО, DIO), которые с помощью встроенных или внешних измерительных
датчиков, исполнительных устройств и интерфейсных средств сопрягаются
с одним или с группой исследуемых объектов и ПК. Устройства сбора данных
могут различаться числом и структурой каналов, конструкцией и количеством
образующих их модулей, используемым цифровым интерфейсом и технически
ми характеристиками. Ввод и вывод аналоговых сигналов в УСД основывается
на их АЦП и ЦАП.
Каналы ввода аналоговых сигналов могут содержать как собственные АЦП,
так и один общий для всех каналов мультиплексируемый АЦП. АЦП осуществля
ются выборки входного сигнала в дискретные равноотстоящие моменты времени
с частотой дискретизации fда и преобразование их в последовательности цифро
вых кодов, вводимых в ПК. По цифровым кодам АЦП с помощью измерительной
программы вычисляются соответствующие им значения напряжения или тока.
Каналы вывода аналоговых сигналов содержат ЦАП, которые преобразуют
поступающие на них с ПК с частотой дискретизации вывода fдс последовательно
сти цифровых кодов в аналоговые тестовые сигналы.
По каналам цифрового вводавывода УСД с ПК выводятся сигналы управле
ния исследуемым объектом (автоматизированным лабораторным макетом).
Создание измерительных систем на базе ПК (измерительных приборов, изме
рительных комплексов, автоматизированных систем сбора и обработки данных)
связано с решением широкого круга задач, включающих разработку:
• конфигурации (архитектуры) системы;
• аппаратного обеспечения – устройства сбора данных и его программного
обеспечения (драйверов);
• алгоритмов измерения, соответствующих реализуемым измерительным
функциям, и их отладку (моделирование);
• измерительного программного обеспечения;
• виртуальных лицевых панелей управления и отображения;
• сопряжения аппаратного и программного обеспечения;
• сетевого программного обеспечения при создании систем с удаленным дос
тупом.
С учетом сложности и трудоемкости этих задач корпорацией NI (США) были
разработаны технологии их комплексного и эффективного решения, получившие
название компьютерных измерительных технологий NI. Технологии NI охватыва
Рис. 1.3. Структура аппаратного обеспечения
компьютерных измерительных систем
Компьютерные измерительные технологии National Instruments
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
