Лаборатория с удаленным доступом «Физические основы электроники»

Лаборатория по электронике с удаленным доступом доступна бесплатно всем желающим. Для работы на этом стенде вам понадобится скачать клиентскую программу и методическое пособие.

Клиентская программа написана на языке LabView и требует установленного LabView Run-Time (который распространяется совершенно свободно).

Скачать всё это вы можете с нашего сайта в разделе файлы или в конце статьи.

Методические указания к лабораторным работам теперь доступны и в режиме online.

В случае появления каких-либо проблем с выполнением лабораторных работ, напишите об этом по e-mail: leso@labfor.ru.

Лаборатория по электронике с удаленным доступом предназначена для проведения лабораторного практикума по курсу «Электроника». В состав практикума входят три работы:

1. Лабораторная работа №1 — исследование полупроводниковых диодов.

• Прямое включение.
• Обратное включение.
• Стабилитрон.
• Выпрямитель.

2. Лабораторная работа №2 — исследование биполярного транзистора.

• Схема с общим эмиттером — входные характеристики.
• Схема с общим эмиттером — выходные характеристики.
• Схема с общим эмиттером — передаточные характеристики.
• Схема с общей базой — входные характеристики.
• Схема с общей базой — выходные характеристики.
• Схема с общей базой — передаточные характеристики.
• Исследование усилителя на биполярном транзисторе.

3. Лабораторная работа №3 — исследование полевого транзистора.

• Выходные характеристики.
• Передаточные характеристики.
• Исследование усилителя на полевом транзисторе.

Структурная схема лабораторной установки.

Установка состоит из сервера, подключенного к сети Internet. Сервер соединен с модулем USB-6008, который представляет собой недорогую систему сбора данных, производимую компанией National Instruments. В состав модуля входит восьмиканальный двенадцатиразрядный аналого-цифровой преобразователь, два цифроаналоговых преобразователя, двенадцать линий цифрового ввода-вывода. Модуль подключается к серверу через интерфейс USB. Сборка электрической схемы исследования для каждой лабораторной работы осуществляется с помощью многоканального коммутатора (аналогового мультиплексора), который управляется цифровыми линиями ввода-вывода. При выборе студентом определенной работы, происходит коммутация соответствующих входов АЦП и ЦАП к элементам исследуемой схемы. ЦАП используется в качестве программно регулируемых источников питания, используемых как для задания напряжений, так и задания токов с помощью токозадающих резисторов (вместо сложных в реализации генераторов тока). АЦП измеряет напряжения и токи в нужных узлах схемы.

Измерение токов осуществляется по падениям напряжения на токоизмерительных резисторах. Выбор сопротивления резисторов связан с поиском компромисса между точностью измерения тока, требующей увеличения сопротивления резистора, и диапазонами измеряемых токов и задаваемых напряжений на электродах полупроводникового прибора, которые при заданных пределах изменения ЭДС управляемых источников уменьшаются при увеличении сопротивления токоизмерительного резистора. Совместное обеспечение этих условий достигается в некоторых случаях использованием двух самостоятельных схем, в одной из которых используется низкоомное сопротивление – в другой высокоомное. Повышению точности измерения тока способствует также применение токоизмерительных каналов с дифференциальными входами.

Аппаратная часть лабораторного комплекса конструктивно выполнена в виде трех отдельных блоков, показанных на структурной схеме.

• блок USB6008;
• плата входного интерфейса;
• плата исследуемых схем.

Плата исследуемых схем выполнена отдельно от платы входного интерфейса, для того чтобы было возможно менять исследуемые полупроводниковые приборы не нарушая структуры всей установки.

Пользовательский интерфейс лабораторного комплекса

Рассмотрим взаимодействия элементов лаборатории по электронике на примере измерения характеристик полупроводникового диода. Студент должен запустить на своем компьютере специальную клиентскую программу. В результате на экране появится меню

Главное меню клиентской программы

В этом меню студент вводит имя сервера (www.leso.sibsutis.ru), к которому подключена удаленная лаборатория, фамилию и имя, номер учебной группы. Далее выбирается лабораторная работа №1. В результате появится окно со схемой исследования диода:

Окно исследования вольтамперных характеристик диодов

С помощью тумблера к схеме измерения подключается один из диодов (кремниевый или германиевый). В этом случае на удаленном стенде произойдет подключение соответствующего реального диода. Далее с помощью мыши поворачивая ручку регулятора напряжения, студент наблюдает за показаниями вольтметра и миллиамперметра. При этом в реальном масштабе времени (в режиме online) строится график вольтамперной характеристики диода. Для сравнения характеристик различных диодов их графики можно построить на одном экране. Результаты эксперимента студент копирует в свой отчет о проделанной работе.

На следующем рисунке изображено окно лабораторной работы по исследованию биполярного транзистора. В этой схеме используется два регулируемых источника напряжения. Источник Еб служит для задания фиксированного тока базы. При изменении источника Ек происходит построение одной характеристики. Для измерения семейства характеристик следует последовательно задать несколько фиксированных значений токов базы.

Окно исследования выходных характеристик биполярного транзистора

Одним из важных достоинств предложенной технологии является возможность исследования влияния температур окружающей среды на выходные характеристики транзистора.

В данной лабораторной установке предусмотрена возможность исследования схем на переменном токе в реальном времени. Частота переменных сигналов ограничивается в основном пропускной способностью компьютерной сети. Примеры исследования схем на переменном токе показаны ниже. На первом изображено окно исследования усилителя на полевом транзисторе. Схема позволяет визуально исследовать влияние напряжения смещения затвора на нелинейные искажения сигнала на выходе усилителя. На втором рисунке изображено окно исследования однополупериодного диодного выпрямителя во временной области.

Окно исследования усилителя на полевом транзисторе

Окно исследования однополупериодного диодного выпрямителя

Программное обеспечение лаборатории

Программное обеспечение лаборатории по электронике комплекса состоит из двух частей — серверной и клиентской. За основу сетевого взаимодействия был выбран протокол гарантированной доставки TCP/IP. Серверная часть представляет собой Win32 приложение, разработанное в среде Delphi 7. Программа принимает клиентов по протоколу TCP, управляет работой мультиплексора, коммутирующего исследуемую схему, а также управляет АЦП и ЦАП DAQ устройства USB-6008. Работа с устройством ведётся посредством программной прослойки, поставляемой вместе с комплектом драйверов NI-DAQmx от National Instruments.

Интерфейс серверной части ПО

Согласно разработанному протоколу передачи клиент–сервер, клиент сначала посылает какую-либо команду, затем ожидает, в это время сервер обрабатывает команду и посылает ответ (включая, если того требовал запрос, измеренные данные). Принятые данные визуализируются на экране пользователя. При разработке протокола особое внимание было уделено минимизации трафика через Интернет, так как многие студенты до сих пор работают по медленным модемным линиям. Для уменьшения задержек между приёмом команды и отправкой измеренных данных алгоритм Нагла протокола TCP/IP был отключен на стороне сервера.

Одной из задач, поставленных перед лабораторией c удаленным доступом, была реализация возможности параллельной работы нескольких студентов над различными пунктами лабораторных работ. Решение заключается в распределении запросов от клиентов по времени, например, за счёт использования неблокирующего сокета, в этом случае очередь запросов создаётся средствами операционной системы. Благодаря этому обеспечивается общее количество одновременно комфортно работающих за стендом студентов не менее десяти человек. Для удобства контроля качества выполнения лабораторной работы студентом, сервер сохраняет в специальную базу данных информацию о том кто, когда и какие пункты лабораторных работ выполнил, и сколько у него ушло на это времени. Преподавателю эта информация доступна через web-интерфейс.

Результаты тестов показали, что даже при самом интенсивном использовании канала Internet клиентской программой (например, при выполнении пунтка «Выпрямитель»), его загруженность не превышает 3 кб/сек, а задержки между отправкой исходных данных и получением результатов измерений практически полностью определяются задержками самого канала. Это позволяет комфортно выполнять лабораторные работы через низкоскоростные модемные соединения, и даже получить приемлемое качество работы при использовании мобильной интернет-технологии GPRS.