Аналого-цифровые преобразователи в учебном процессе

Андреев П.Г., Наумова И.Ю. АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ

Современное развитие компьютерной техники и программного обеспечения позволяет качественно и достаточно быстро проектировать электронные средства (ЭС) различного назначения. В этой связи актуально использование аналого-цифровых преобразователей (АЦП) в процессе преподавания курса "Основы проектирования ЭС".

Реализация АЦП может быть различной. Сегодня существует множество производителей АЦП, предлагающих не только конкретные микросхемы или функциональные узлы-преобразователи, но и программное обеспечение, адаптированное под конкретный АЦП. Однако, из всего разнообразия подобных систем представленных на рынке, выбрать недорогое изделие с приемлемыми характеристиками достаточно трудно.

Конечно, можно спроектировать и собрать в лаборатории собственную конструкцию АЦП с соответствующим программным обеспечением. Но этот вариант требует значительных финансовых, людских и временных затрат, которыми большинство кафедр современных Вузов не обладает. Поэтому единственно оптимальным способом решения данной проблемы является выбор достойной системы АЦП, не переплачивая за ненужные дополнительные функции изделия и программного обеспечения.

В качестве примера рассмотрим применение в лабораторном обеспечении курса "Основы проектирования ЭС" системы АЦП/ЦАП 16/16 «81дшаиЗВ» фирмы ЗАО "Электронные технологии и метрологические системы - ЗЭТ", разработанной СКБ ГП ВНИИФТРИ Московской области [1].

Обобщенная схема системы, представлена на рисунке 1. Она предназначена для преобразования параметров сигналов в широком частотном диапазоне (с частотой дискретизации до 500 кГц), поступающих с различных первичных преобразователей. А цифровой (разъем DB-15) и аналоговый выходы (разъем DB-2 5) могут использоваться в цепях управления различными исполнительными механизмами.

Рис.1 Схема системы АЦП/ЦАП 16/16 «SigmaUSB»

Входной сигнал (Uin+ и Uin-) от первичного датчика (пассивного или активного) подается на дифференциальный усилитель с переключаемым коэффициентом усиления (КУ = 1; 10; 100; 1000). С выхода усилителя

через гальваническую развязку на оптических элементах выходной сигнал поступает на вход ЭВМ, где при помощи специального программного обеспечения в виде частотомера, фазометра или осциллографа его характеристики отображаются на экране монитора компьютера.

Наличие ЦАП позволяет получить генератор с гальванической развязкой на оптических элементах, управляемый оператором ЭВМ, обеспечивающий качественную, стабильную генерацию различного вида сигналов. Это особенно ценно в реализации обучающих лабораторных стендах данного курса.

Гальванически развязанные источники напряжения (ИН) и тока (ИТ) используются для питания пассивных и активных первичных преобразователей. К пассивным датчикам относятся резистивные преобразователи, например, датчики температуры на основе термосопротивлений или тензодатчики на основе тензорезисторов. К активным датчикам можно отнести различные преобразователи на интегральных микросхемах, например датчики ускорения (акселерометры) типа ADXL фирмы Analog Devices, датчики магнитного поля фирмы Honeywell или датчики давления и температуры фирмы Freescale.

Подключение к персональному компьютеру и питание системы осуществляется по порту USB, что обеспечивает необходимую скорость передачи данных и освобождает от применения дополнительных, громоздких источников питания.

Программное обеспечение ZETLab, поставляемое с модулем АЦП-ЦАП 16/16 «SigmaUSB», позволяет приступить к процессу измерения и управления сразу после подключения к персональному компьютеру, а после сохранить, полученные данные в файл. В базовое программное обеспечение ZETLab входят:

1) вольтметры переменного и постоянного тока, селективный вольтметр переменного тока;

2) частотомер, фазометр, тахометр, омметр;

3) генератора сигналов различной формы;

4) многоканальный осциллограф;

5) XY-осциллограф, XY-плоттер;

6) узкополосный спектральный анализ;

7) программа прослушивания каналов АЦП и ЦАП через звуковую карту;

8) программа просмотра результатов измерений;

9) программа фильтрации сигналов.

Такое многообразие виртуальных приборов заменяет их реальные аналоги, экономит не только рабочее пространство в лаборатории, но и значительные денежные средства.

Согласно государственному образовательному стандарту по направлению 654 3 0 0 (Проектирование и технология электронных средств) студент, изучающий дисциплину "Основы проектирования электронных средств" должен получить достаточный объем знаний по следующим разделам: структура и классы электронных средств; факторы, определяющие построение электронных средств: факторы окружающей среды, системные факторы, факторы взаимодействия в системе "человек - машина"; конструкторское проектирование; современные и перспективные конструкции электронных средств - ячеек, модулей, блоков, шкафов; системы базовых несущих конструкций; унификация конструкций; тепловые и механические характеристики конструкций; электромагнитная совместимость; влагозащита и герметизация; радиационная стойкость электронных средств; системные критерии технического уровня и качества изделий; использование информационных технологий при проектировании электронных средств; технический дизайн при проектировании.

Поэтому измерение таких параметров как: частота, фаза, напряжения переменного и постоянного тока,

температуры, получение осциллограммы сигнала, напряжённого состояния конструкций, основанное на измерении местных деформаций, является необходимым для обеспечения качества преподавания дисциплины.

Измерения температуры с помощью термосопротивлений возможно по схемам, представленным на рис.2.

Рис.2 Схемы подключения терморезисторов.

Для подключения одного термопреобразователя используется схема рисунка 2, а а, двух и более — рисунка 2, б. Здесь &шм - это термопрезистор, Щ - нагрузочное сопротивление, значение которого выбирается приблизительно равным измерительному. В качестве нагрузочного резистора используются точные 1% резисторы с маленьким температурным коэффициентом сопротивления (ТКС).

После соответствующей калибровки датчика на экране компьютера отображается, измеряемая температура (см. рис. 3).

tZi Термометр сопротивления Da

_

I |CuV\b1 433

|ииґна.ій ^ I I 1.C0J грзд,

Рис.3 Экранная форма измерения температуры.

После подключения двух сигналов к АЦП и программы многоканального осциллографа на экране компьютера возможно отображение не только измеряемых сигналов, но и их модуляции (см. рис.4).

Рис.4 Экранная форма осциллографа.

Использование программы прослушивания сигналов, поступающих на входные каналы АЦП позволяет прослушивать сигналы через звуковую карту персонального компьютера, что полезно при анализе сигналов в акустическом диапазоне, т.к. спектральный анализ не всегда может дать адекватную информацию об анализируемых величинах. Например, искажение, связанное с кратковременной помехой будет хорошо различимо на слух, в то время как узкополосный анализ не отобразит значительных изменений в спектре сигнала.

Для последующего анализа акустической информации в режиме аналогового магнитофона можно прослушивать записанные временные реализации сигналов.

Характеристики рассматриваемой системы и приведенные примеры подтверждают возможность её применения в реализации лабораторных работ по следующим темам дисциплины:

1. Температура как фактор окружающей среды, определяющий построение ЭС;

2. Вибрация как фактор окружающей среды, определяющий построение ЭС;

3. Электромагнитная совместимость ЭС;

4. Влагозащита ЭС;

5. Герметизация ЭС;

6. Тепловые и механические характеристики конструкций ЭС.

Таким образом, использование АЦП в учебном процессе позволит не только повысить интерес студентов к изучению предмета, но и на более высоком уровне обеспечить лабораторную базу преподаваемого курса.

б

а

ЛИТЕРАТУРА

1. Инструкция по эксплуатации модуля АЦП/ЦАП 1б/1б «SigmaUSB».

2. Материалы сайта: www.zetms.ru.