Применение электронных симуляторов LabVIEW и Multisim для изучения базовых дисциплин по направлениям «Радиотехника» и «Инфокоммуникационные технологии и системы связи»

Пилипенко Александр Михайлович

доцент, к.т.н., доцент кафедры теоретических основ радиотехники,

Южный федеральный университет,

пер. Некрасовский, 44, г. Таганрог, 347928, (8634)371632

ampilipenko@sfedu.ru

Цветков Федор Алексеевич

доцент, к.т.н., доцент кафедры теоретических основ радиотехники,

Южный федеральный университет,

пер. Некрасовский, 44, г. Таганрог, 347928, (8634)371632

facvetkov@sfedu.ru

Аннотация

В статье рассмотрены примеры виртуальных приборов и электронных симуляторов, предназначенных для изучения базовых дисциплин по направлениям 210400 «Радиотехника» и 210700 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи». Использование описанных в работе программно-аппаратных комплексов позволяет обеспечить исследование процессов и явлений в различных радиотехнических и инфокоммуникационных устройствах. При этом используются как модели этих устройств, так и реальные объекты. В статье также показано, что программно-аппаратные комплексы на основе LabVIEW и Multisim позволяют осуществить довольно сложные эксперименты, в частности, при выполнении дипломных проектов и квалификационных работ на степень бакалавра и магистра.

In the paper examples of the virtual instruments and the electronic simulators intended for study of basic disciplines in directions 210400 «Radio Engineering» and 210700 «Information technologies and communication systems» are reviewed. The application of the hardware-software systems described in this work allows the study of processes and phenomena in various radio engineering and telecommunication devices. In this case are used the models for these devices, and the real objects. The paper also shows that the hardware and software systems based on LabVIEW and Multisim allow to realize complex experiments, in particular, in the performance of diploma qualification works for a bachelor's degree and master's degree.

Ключевые слова

электронные симуляторы, программно-аппаратные комплексы, радиотехнические и инфокоммуникационные устройства;

electronic simulators, hardware-software systems, radio engineering and telecommunication devices.

Введение

В настоящее время в России происходит модернизация высшего технического образовательного процесса, вызванная необходимостью готовить выпускников вузов, способных решать на инновационном уровне научные и производственные задачи, чтобы обеспечить конкурентоспособность российской продукции на мировом уровне [1].

Вопрос об использовании информационных технологий (ИТ) в учебном процессе не является новым для отечественной высшей школы. Перед ветеранами российских вузов прошло уже несколько волн внедрения средств вычислительной техники в учебный процесс с целью проведения «машинных опросов», обеспечения «автоматизированного контроля знаний», создания «автоматизированных обучающих систем» и «электронных учебников», организации «дистанционного обучения». Не берясь оценивать результаты этих и других аналогичных экспериментов, можно сказать, что во всех подобных методах и соответствующих системах, средства ИТ использовались либо для контроля знаний обучающихся и организации контрольно-обучающих циклов в общем алгоритме обучения, либо для организации удобного и/или удаленного доступа к учебной литературе.

Известно сравнительно мало примеров использования новых ИТ для проведения учебных исследовательских работ, направленных на освоения методов исследования явлений, процессов и устройств, генерации новых знаний. В то же время, существующие в настоящее время автоматизированные системы физических исследований и экспериментов, в частности, автоматизированные программно-аппаратные комплексы на основе пакетов LabVIEW и Multisim, созданных компанией National Instruments, позволяют организовать учебные лабораторные работы исследовательского типа. В ходе таких работ студенты могут в приемлемые для учебных целей сроки с помощью как виртуальных, так и реальных измерительных приборов организовать экспериментальное исследование или математическое моделирование различных электронных приборов и устройств. Такой подход к обучению в сочетании с другими видами самостоятельной работы и аудиторных занятий позволит студентам развить навыки познания окружающего мира с помощью, как самостоятельной работы с учебной и научной литературой, так и в процессе физических исследований и экспериментов. Последующие разделы данной статьи будут посвящены рассмотрению возможностей эффективного применения систем LabVIEW и Multisim при изучении дисциплин, относящихся к основам радиотехники и инфокоммуникационных технологий, и инновационным подходам к организации учебного процесса по этим дисциплинам.

Постановка проблемы

Авторы данной статьи работают на кафедре теоретических основ радиотехники (ТОР) Южного федерального университета (до 2007 года Таганрогского государственного радиотехнического университета). Кафедра ТОР Южного федерального университета является одновременно и общетехнической и выпускающей. Для всех студентов, обучающихся на радиотехническом факультете (РТФ) Южного федерального университета по программам подготовки бакалавров, на кафедре ТОР преподаются базовые дисциплины профессионального цикла, перечисленные в табл. 1. Кроме того, за кафедрой ТОР закреплен ряд специализированных дисциплин, а также руководство выпускными квалификационными работами бакалавров, магистров и специалистов. Таким образом, занятия на кафедре проводятся для студентов всех курсов.

Следует отметить, что базовые дисциплины, преподаваемые на кафедре ТОР, «закладывают фундамент», на котором строится изучение многих специальных дисциплин среди которых «Схемотехника телекоммуникационных устройств», «Цифровая обработка сигналов», «Основы построения инфокоммуникационных систем и сетей», «Электропитание устройств и систем телекоммуникаций», «Радиопередающие устройства», «Радиоприемные устройства», «Устройства генерирования и формирования сигналов» и ряд других.

Таблица 1

Перечень базовых дисциплин, преподаваемых на кафедре ТОР

Направление подготовки бакалавров

210400 «РАДИОТЕХНИКА»

210700 «ИНФОКОММУНИКАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И СИСТЕМЫ СВЯЗИ»

Дисциплины

1) Основы теории цепей;

2) Радиотехнические цепи и сигналы;

3) Метрология и радиоизмерения.

1) Теория электрических цепей;

2) Общая теория связи;

3) Метрология, стандартизация и сертификация в инфокоммуникациях.

 

В настоящее время радиотехника и техника связи неотделимы от компьютерных систем, поэтому для освоения перечисленных в табл. 1 базовых дисциплин на уровне приемлемом для дальнейшего обучения и профессиональной деятельности необходимо внедрение современных информационных технологий в образовательный процесс. В данной работе реализованы инновационные информационные технологии, позволяющие решить следующие задачи:

1) наглядная демонстрация процессов и явлений в различных радиотехнических и инфокоммуникационных устройствах с помощью виртуальных моделей устройств и виртуальных измерительных приборов;

2) исследование частотных и временных характеристик радиотехнических цепей и сигналов с помощью компьютерных симуляторов LabView и Multisim;

3) проведение физических экспериментов с реальными устройствами с помощью рабочей стации NI ELVIS и программ на языке LabVIEW.

Реализация инновационных технологий в учебном процессе

Среда графического программирования LabVIEW позволяет создавать программы или виртуальные приборы (ВП) в виде структурной схемы (блок-диаграммы), моделирующей различные процессы и устройства, а также обеспечивающей возможность сбора и анализа измеренных данных. Ниже рассмотрены примеры таких виртуальных приборов, разработанных и внедренных на кафедре теоретических основ радиотехники Южного федерального университета и предназначенных для эффективного изучения дисциплин приведенных в табл. 1.

На рис. 1 приведена лицевая панель программы, предназначенной для решения задачи синтеза периодического сигнала произвольной формы. Программа позволяет задать величину постоянной составляющей, а также значения амплитуд и начальных фаз первых десяти гармоник, частоты которых кратны частоте первой гармоники. Результат синтеза (суммирования первых десяти гармоник) отображается в виде временной диаграммы на лицевой панели виртуального прибора. Виртуальный прибор позволяет за короткое время продемонстрировать изменение формы сигнала при увеличении числа гармоник. Аналогичная демонстрация с помощью доски и мела просто невозможна.

 

19

Рис. 1. ВП для синтеза периодического колебания

Среда LabVIEW очень удобна для исследования характеристик случайных процессов и моделирования прохождения случайных колебаний через различные цепи. Лицевые панели соответствующих ВП показаны на рис. 2 и рис. 3. В ВП применяются модели осциллографа, анализатора спектра и вольтметра, разработанные на языке LabVIEW, что позволяет обеспечить имитацию выполнения всей лабораторной работы вне лаборатории, имея в распоряжении только персональный компьютер с установленный на нем LabVIEW.

На лицевой панели ВП, показанного на рис. 2, приведена реализация случайного процесса и его вероятностные и числовые характеристики. Эти характеристики можно легко получить с помощью встроенных в LabVIEW подпрограмм. На рис. 3 представлен виртуальный прибор, который позволяет исследовать преобразование случайных процессов линейной цепью. В данном случае показаны случайные процессы на входе и выходе полосового фильтра второго порядка (ПФ 2), при этом основные параметры фильтра – центральную частоту и полосу пропускания – можно варьировать с помощью соответствующих переключателей. Вместе с изменением параметров фильтра будут изменяться и процессы на его выходе, при этом исследователь фактически воспринимает данное действие как работу с реальными объектами – радиотехническими сигналами и цепями.


20

Рис. 2. ВП для исследования характеристик случайных процессов

22

Рис. 3. ВП для моделирования прохождения случайного процесса через полосовой фильтр

С помощью LabVIEW можно не только моделировать устройства, но и имитировать различные измерительные приборы, что немаловажно при дистанционном обучении, когда нет возможности работать с реальными приборами. Для примера на рис. 4 приведена передняя панель виртуального частотомера Ч3-38 с подключенным генератором Г3-118, а на рис. 5 показан виртуальный одноканальный осциллограф, подключенный к источнику исследуемого сигнала.

 

 

12

Рис. 4. Виртуальный частотомер Ч3-38 с подключенным генератором Г3-118

5

Рис. 5. Виртуальный одноканальный осциллограф

При изучении любых технических дисциплин, в том числе в области радиоэлектроники и систем связи, важнейшее значение имеют экспериментальные работы с реальными объектами. Такие исследования удобно проводить с помощью комплекта NI ELVIS (National Instruments Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite), предназначенного для построения лабораторных стендов в технических, физических и биологических лабораториях [2]. На рис. 6 показан типовой комплект NI ELVIS, который содержит персональный компьютер с программой LabVIEW (1), специализированную плату ввода/вывода (2), 68-штыръковый кабель серии Е (3), макетную плату NI ELVIS (4) и рабочую станцию NI ELVIS (5).

 

Рис. 6. Комплект приборов NI ELVIS

Комплект NI ELVIS используется совместно с программами, написанными в среде LabVIEW, что позволяет реализовать ВП, обеспечивающие функциональные возможности реальных измерительных приборов, таких как функциональный генератор; регулируемый источник питания; анализатор амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) и фазочастотных характеристик (ФЧХ); цифровой мультиметр (вольтметр, амперметр); анализатор импеданса (комплексного сопротивления); осциллограф; анализатор вольт-амперных характеристик.

На макетной плате NI ELVIS размещают реальные цепи, исследуемые в лабораторных работах. Макетная плата содержит контактные разъемы, через которые можно подключать к исследуемым цепям как виртуальные приборы, управляемые программой LabVIEW, так и внешние измерительные приборы. На рис. 7 показана макетная плата NI ELVIS с расположенными на ней цепями, характеристики которых исследуется в лабораторных работах по теории электрических цепей. Схемы замещения исследуемых цепей показаны на рис. 8.

Комплект NI ELVIS используется совместно с программой «Измеритель АЧХ-ФЧХ.vi» (виртуальным прибором), разработанной авторами данной статьи в среде LabVIEW. Лицевая панель виртуального прибора «Измеритель АЧХ-ФЧХ.vi» приведена на рис. 9.

 

плата

Рис. 7. Макетная плата NI ELVIS

ris9

Рис. 8. Схемы замещения цепей, исследуемых с помощью NI ELVIS

а)

 

б)

Рис. 9. Лицевая панель измерителя АЧХ-ФЧХ при исследовании частотных характеристик простейших цепей (а) и колебательных контуров (б)

На лицевой панели виртуального прибора размещены управляющие элементы, цифровые индикаторы и экспериментальные графики. С помощью управляющих элементов задается амплитуда воздействующего гармонического напряжения (Um ист); количество точек измеряемых частотных характеристик; максимальная и минимальная частоты диапазона измерений (Fмакс и Fмин); способ изменения частоты воздействия (линейная или логарифмическая сетка частот).

Цифровые индикаторы отображают текущее значение частоты воздействия; амплитуды напряжений на входе и выходе исследуемой цепи (Um вх и Um вых); значения АЧХ и ФЧХ (модуль и фаза). На экспериментальных графиках отображаются временные диаграммы входного и выходного напряжений, АЧХ и ФЧХ. На графиках АЧХ и ФЧХ имеются маркеры синего и красного цвета соответственно. Маркеры позволяют выбрать интересующую точку на графике АЧХ или ФЧХ и определить ее координаты (X и Y), которые отображаются справа от графика.

Рассмотренный измеритель частотных характеристик позволяет с одной стороны исследовать реальные объекты (в частном случае простейшие цепи и колебательные контуры), с другой стороны упрощает процесс измерений и делает его очень наглядным (построение частотной характеристики цепи происходит в реальном времени по точкам). Данное обстоятельство особенно важно для таких дисциплин как «Основы теории цепей» и «Радиотехнические цепи и сигналы», где приоритетное значение имеет именно исследование характеристик цепей и сигналов, а не изучение измерительных приборов.

Другим мощным инструментом для изучения теории электрических и радиотехнических цепей и сигналов является программа схемотехнического моделирования (симулятор) Multisim (преемник популярного программного продукта ранее известного под названием Electronics Workbench). С помощью персонально компьютера с установленным пакетом Multisim студенты могут самостоятельно собрать виртуальную схему исследуемой цепи, подключить к ней виртуальные измерительные приборы и получить требуемые характеристики цепей или исследовать процессы в различных устройствах. Интерфейс программы Multisim представлен на рис. 10.

Рис. 10. Главное окно программы Multisim

На рис. 11 приведены примеры электрических цепей, которые моделируют студенты второго курса во время лабораторных работ (a, б – нелинейные цепи, в – последовательный колебательный контур, г – модель длинной линии без потерь, д – многозвенная модель длинной линии с потерями) [3].

Рис. 11. Схемы замещения цепей, исследуемых с помощью Multisim

Анализ и оценка предлагаемых технологий

Внедрение электронных симуляторов в программы базовых дисциплин радиотехнического и инфокоммуникационного направлений, преподаваемых на кафедре теоретических основ радиотехники Южного федерального университета, началось несколько лет назад [4, 5]. На рис. 12 проиллюстрирован процесс выполнения лабораторных работ с помощью электронных симуляторов (а – исследование частотных характеристик электрической цепи второго порядка, б – исследование стандартных видов модуляции сигналов для систем радиосвязи).

а)

б)

Рис. 12. Процесс выполнения лабораторных работ с помощью электронных симуляторов

В настоящее время продолжается совершенствование разработанных программных комплексов и лабораторных стендов. При исследовании в автоматизированном режиме проводится большое количество измерений, результаты получаются в виде цифровых данных, сохраняемых в файлах. Эти данные, в дальнейшем, могут студентом подвергаться обработке на его домашнем компьютере с целью определения необходимых численных параметров. В процессе выполнения работы достаточно просто делается сравнительный анализ свойств исследуемых устройств по семейству графиков, получаемых при различных параметрах их элементов, определение зависимости между временными и частотными характеристиками и т.д. Важно также то, что, например, замена студентом одного конденсатора на конденсатор другой емкости немедленно сказывается на получаемых результатах, т. е. студент воочию убеждается в том, что получаемые результаты соответствуют именно этой исследуемой цепи. Дополнительно к этому к исследуемой цепи можно подключить осциллограф и контролировать ход процесса по его экрану.

С помощью LabVIEW и платы ввода-вывода можно формировать для исследуемого устройства низкочастотные управляющие напряжения и вводить в компьютер низкочастотные отклики. Таким способом можно осуществить довольно сложные эксперименты, в частности, при выполнении дипломных проектов и квалификационных работ на степень бакалавра и магистра. Ниже приведены примеры выполнения таких работ.

На рис. 13 показана лицевая панель и блок-диаграмма ВП, который оптимальным образом обнаруживает присутствие на входе приемника полезного сигнала в аддитивной смеси сигнал/шум. ВП позволяет формировать сигнал, задавать частоту дискретизации, изменять параметры сигнала и шума. С помощью такого виртуального обнаружителя можно проводить имитационное моделирование в реальном времени.

 

Рис. 13. Модель обнаружителя сигналов

На рис. 14 показана лицевая панель локационной установки с использованием акустических волн в воздухе на основе широко распространенной рабочей станции NI ELVIS. Для обеспечения работы локатора было использовано два электроакустических преобразователя с рабочей частотой 40 кГц: один на излучение, другой – на прием. Использовавшийся вариант конструкции излучающе-приемного блока изображен на рис. 15. Для снижения требований к чувствительности приемного канала при больших расстояниях до лоцируемых объектов был изготовлен уголковый отражатель из органического стекла с размером стороны около 20 см. С помощью этой установки уверенно обнаруживаются различные объекты на расстояниях до 10 м, демонстрируется маскировка объекта путем помещения его внутрь уголкового отражателя, фиксируются зеркальные отражения [6].

 

Безымянный1

Рис. 14. Лицевая панель локационной установки

Рис 

Рис. 15. Внешний вид излучающе-приемного блока

Заключение

Подводя итог, следует отметить, что современные радиотехнические и инфокоммуникационные устройства насыщены вычислительной техникой, и в будущем эта тенденция будет только усиливаться. Высшая школа всегда работает на будущее, так как поступившие учиться выйдут из нее только через 4…6 лет. За это время технический мир успевает заметно измениться. Поэтому процесс обучения должен быть высокоадаптивным. Реализовать это можно только насыщая учебный процесс компьютерными технологиями. При этом нельзя и оборвать связи с реальными устройствами, чтобы получить в конце обучения высококвалифицированных специалистов. Таким образом, применение в инженерном образовательном процессе электронных симуляторов LabVIEW и Multisim в сочетании с реальными объектами позволяет обеспечить инновационный подход в подготовке кадров на современном уровне для сохранения и развития интеллектуального потенциала России и повысить мотивацию и интерес студентов в получении достойного образования.

Работа выполнена при поддержке стипендии Президента Российской Федерации молодым ученым и аспирантам, осуществляющим перспективные научные исследования по приоритетным направлениям модернизации российской экономики (СП-398.2012.5).

Литература

1. Захаревич В.Г., Попов В.П., Терешков В.В. Российское образование вступление России в ВТО: возможные последствия // Высшее образование в России. – 2006. №4. C. 20-27.

2. Батоврин В. К., Бессонов А. С., Мошкин В. В. LabVIEW: практикум по электронике и микропроцессорной технике: Учебное пособие для вузов. – М.: ДМК Пресс, 2005. – 182 с.

3. Бирюков В. Н. Пилипенко А. М. Методические указания к лабораторным работам по курсам ОТЦ и ТОЭ для симулятора Multisim – Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009. – 35 с.

4. Федосов В.П., Цветков Ф.А. Сочетание реального и виртуального в подготовке бакалавров, специалистов и магистров по направлению «Радиотехника» // Открытое образование. – 2009. № 5. С. 6-18.

5. Федосов В.П., Цветков Ф.А. Инновационный подход к проведению лабораторного практикума по курсу «Теория электрической связи» // Известия Южного федерального университета. Технические науки. – 2009. – Т. 91. № 2. С. 220-223.

6. Цветков Ф.А. Лабораторный стенд для исследования акустических волн в воздухе // Материалы Всероссийской научной конференции «Актуальные вопросы исследования общественных и технических систем» Ч.3. – Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2011. – С. 60-63.