Стаханов П.А., Косулин В.В.

Казанский государственный энергетический университет, Россия

Создание обучающих элементов электрической цепи

В настоящее время широкое распространение получили различные имитационные программные комплексы, симулирующие работу и протекающие физические процессы как в отдельных составляющих измерительных схем, так и в готовых устройствах. Наибольшее распространение получили такие продукты как Multisim, OrCAD и др.

Но, несмотря на их повсеместное внедрение, существует ряд проблем, не позволяющих их использовать в полной мере, а именно стоимость программных комплексов, их несовместимость между собой, зависимость от аппаратной части ПК и пр.

Эту проблему можно решить, используя для моделирования работы измерительных схем и устройств современные языки программирования позволяющие описать компоненты и устройства по известным математическим закономерностям. Это позволяет не только снизить затраты на приобретение эмуляторов, но и работать с реальными измерительными сигналами.

Одним из таких языков является язык G, реализованный в среде графического программирования под названием LabVIEW, разработанной фирмой National Instruments.

LabVIEW используется в системах сбора и обработки данных, а также для управления техническими объектами и технологическими процессами. Идеологически LabVIEW очень близка к программным пакетам, предназначенных для разработки или обеспечения работы в реальном времени: систем сбора, обработки, отображения и архивирования информации об объекте, мониторинга или управления (SCADA-системы). Но в отличие от них в большей степени ориентирована на решение задач не столько в области автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП), сколько в области автоматизированных систем научных исследований (АСНИ).

Программа LabVIEW называется и является виртуальным прибором и состоит из трех частей:

● блочная диаграмма, которая содержит функциональные узлы, являющиеся источниками, приемниками и средствами обработки данных. Также компонентами блочной диаграммы являются терминалы, так называемые «задние контакты» объектов лицевой панели, и управляющие структуры являющиеся аналогами таких элементов текстовых языков программирования, как условный оператор «IF если», операторы цикла «FOR для того, чтобы», «WHILE в то время как» и т. п. Функциональные узлы и терминалы объединены в единую схему линиями связей.

● лицевая панель, содержит средства ввода-вывода: кнопки, переключатели, светодиоды, верньеры, шкалы, информационные табло и т. п. Они используются человеком для управления виртуальным прибором, а также другими виртуальными приборами для обмена данными.

● соединительная панель, определяет картину расположения входных и выходных терминалов, посредством которых производится ввод и вывод данных при использовании виртуального прибора в качестве подпрограммы. Для того, чтобы элементы лицевой панели могли обмениваться данными с виртуальными приборами верхнего уровня, они должны быть подключены к терминалам соединительной панели.

Для того, чтобы создать любой компонент электрической цепи в среде графического программирования LabVIEW, необходимо определить его математические зависимости, т.е. различные формулы и соотношения, определяющие выходные параметры исходя из входных, таких как давление, влажность и температура окружающего воздуха, электромагнитное поле Земли, материал, из которого планируется изготавливать электрорадиоэлемент и др. параметры, существенно влияющие на конечные выходные характеристики.

На данный момент созданы четыре имитационные модели электрорадиоэлементов электрической цепи, а именно резистор, конденсатор, катушка индуктивности и диод. Все они основаны на различных математических соотношениях, в последствии позволяющих их применять в различных фильтрах, таких как интегрирующие RC-цепочки, фильтр нижних и верхних частот, полосовые фильтры, диодные мосты и т.п. Учет всех возможных входных характеристик позволит с достаточно большой точностью определять выходные параметры фильтров.

Данная технология виртуальных приборов позволит осуществлять учебный эксперимент с любой географической точки Земли, что означает повышение качества образования, т.к. учащийся сможет выполнять, например, лабораторную работу на дому и предоставить отчет в электронном виде, что, на сегодняшний день является очень актуальным.

Таким образом, в результате проделанной работы, можно сделать вывод, что созданные имитационные модели электрорадиоэлементов резистора, конденсатора, катушки индуктивности и диода имеют достаточно простой и удобный интерфейс, что позволяет проводить учебный эксперимент с только начавшими обучатся студентами, не имеющими специализированного технического образования. Так же, используя для создания данных виртуальных приборов большое количество различных математических закономерностей, позволяет с высокой точностью замерять выходные параметры как компонентов, так и в последующем различных фильтров на их основе.

Простота, так называемого, «проектирования» и создания данных приборов позволяет их повсеместное внедрение, без использования специализированного программного обеспечения, что сводит существующие затраты на лицензионный софт практически к нулю.

Полученные результаты были подтверждены с помощью программного комплекса Multisim, что показывает достоверность приведенных математических закономерностей использованных при создании приборов.