Prototypová laboratoř NI ELVIS

Následující text navazuje na článek „Program Multisim a jeho místo ve výuce na odborných školách“, který byl uveřejněn v tomto časopise. V článku jsem naznačil další možnosti zkvalitnění výuky pomocí prototypové laboratoře NI ELVIS, dále v textu jen ELVIS.

Obr. 1 Multisim a zapojení obvodu

Na příkladu jednoduchého elektronického obvodu s časovačem typu 555 budu demonstrovat základní možnosti ELVIS. Výsledky porovnám s výstupy simulace. Postup může být následující – na základě zadání navrhneme elektronický obvod, vypočítané hodnoty součástek přizpůsobíme vyráběným hodnotám z řady E12. V Multisimu provedeme simulaci a ověření zadaných obvodových veličin, zda odpovídají zadání. V případě rozdílů mohu zapojení upravit a provést následnou simulaci na PC. Schéma zapojení obvodu je na obr. 1. Následně použijeme prototypovou laboratoř ELVIS se sestaveným obvodem s reálnými součástkami. Následuje porovnání výsledků získaných uvedenými postupy.

Obr. 2 Prototypová laboratoř ELVIS

Prototypová laboratoř NI ELVIS II je zobrazena na obr. 2. Na základnu, která obsahuje napájecí zdroje pevného a regulovatelného napětí, měřicí přístroje, generátor, vstupní a výstupní svorky, signalizační a ovládací prvky, je umístěna univerzální deska s nepájivým kontaktním polem. Na základnu je možné umístit další funkční desky podle zaměření. Propojení a ovládání pomocí PC je prostřednictvím USB portu.

Z hodnot součástek R1, R2 a C1 (řada E12), viz. obr. 1, vypočítáme periodu a kmitočet výstupního signálu:

Periodě odpovídá kmitočet výstupního signálu:

Výpočet můžeme prověřit na PC Multisimem. Periodu a kmitočet výstupního signálu zjistíme čítačem na výstupu LM555:

T = 830 ms, f = 1,204 Hz.

Nyní přistoupíme k použití prototypové laboratoře ELVIS. Po připojení k PC nejdříve změříme reálné hodnoty součástek, které ovlivňují parametry výstupního signálu – rezistory R1, R2 a kondenzátor C1. Po zapnutí napájení se aktivuje nabídka přístrojů NI ELVISmx Instrument Launcher. Po kliknutí na ikonu DMM se objeví panel digitálního multimetru a můžeme volit měřenou hodnotu. Na panelu je zobrazena nápověda, které svorky laboratoře využít.

Obr. 3 Měření hodnot rezistorů

V případě měření odporu rezistorů R1, R2 využijeme boční konektory skupiny DMM a propojovací kabely. Na obr. 3 je zobrazen panel DMM a hodnota rezistoru R2 = 21,884 kΩ. Obdobně změříme R1 = 10,049 kΩ.

Měření kapacity kondenzátoru C1 je podobné. DMM přepneme do režimu měření kapacity a vývody C1 připojíme podle zobrazení do nepájivého pole (skupina vývodů označených DMM/Impedance Analyzer – DUT+ a DUT–). Po spuštění odečteme hodnotu kapacity kondenzátoru C1 = 19,17 μF.

Po zjištění konkrétních hodnot součástek můžeme na nepájivém poli sestavit obvod. Pro napájení využijeme zdroj pevného napětí +5 V (svorky +5 V a GROUND jsou ve skupině DC Power Supplies). Na výstup časovače 555 můžeme připojit přes předřadný rezistor LED. Výstup také můžeme propojit vodičem se svorkami vestavěných LED 0–7, které jsou umístěny na desce (panel LEDs). Jelikož nás zajímá tvar a hodnoty výstupního signálu – perioda a kmitočet, připojíme na výstup pomocí svorek (skupina Analog Input Signals) osciloskop.

Přístroj aktivujeme kliknutím na ikonu Scope z nabídky přístrojů NI ELVISmx Instrument Launcher. Výstupní signál zobrazíme v kanálu CH I (svorky AI 1+ a –) osciloskopu. K objasnění funkce časovače 555 můžeme zobrazit napětí na kondenzátoru C1 – použijeme kanál CH 0 (svorky AI 0+). Průběhy obou napětí jsou zobrazeny na obr. 4. Výstupní signál má kmitočet (Freq.) 1,205 Hz a periodu (dT) 833 ms.

Obr. 4 Průběhy napětí na výstupu časovače 555 a kondenzátoru C1

Následně můžeme provést simulaci obvodu na PC. Ve schématu použijeme hodnoty součástek, které jsme změřili pomocí ELVIS. Parametry výstupního signálu zjištěné čítačem jsou následující: f = 1,208 Hz, T = 827,8 ms.

Porovnání výsledků je uvedeno v tabulce.

Z tabulky je patrné, že parametry výstupního signálu získané simulací a měřením sestaveného obvodu s reálnými součástkami na prototypové laboratoři ELVIS jsou podobné.

Ve výbavě ELVIS jsou další zajímavé přístroje, které můžeme využít. Pozornost si zaslouží analyzátor voltampérových charakteristik. V programu Multisim máme zobrazovač charakteristik diod a tranzistorů – pracujeme však s modely součástek. ELVIS nabízí analyzátor (zobrazovač) charakteristik diod a tranzistorů.

Obr. 5 Výstupní charakteristiky tranzistoru KC239F

Jako příklad si popíšeme postup při zobrazení výstupních charakteristik tranzistorů. Z nabídky přístrojů NI ELVISmx Instrument Launcher vybereme Three – Wire Current – Voltage Analyzer. Měřený tranzistor umístíme do svorek DMM/Impedance Analyzer – BASE, DUT+, DUT–. Je nutné dodržet orientaci vývodů B, C, E daného typu tranzistoru. Na panelu přístroje nastavíme typ tranzistoru NPN/PNP, rozsah změny Uce (Vc), max Ic (Ic Limit), rozsah změny Ib (Ib). Respektujeme hodnoty uvedené v katalogu pro měřený tranzistor. Na obr. 5 jsou zobrazeny výstupní charakteristiky tranzistoru KC239F.

Pro zobrazení voltampérových charakteristik diod využijeme podobným způsobem přístroj Two – Wire Current – Voltage Analyzer. Diodu připojíme do svorek DMM/Impedance Analyzer – DUT+ (anoda), DUT– (katoda).

Často potřebujeme zobrazit amplitudové a fázové charakteristiky obvodů. Pro ilustraci si ukážeme použití Bodyho analyzátoru při zobrazení charakteristik RC obvodu. Provedeme srovnání s výsledky simulace v programu Multisim a výpočtem.

Obr. 6 Schéma obvodu a připojení k ELVIS

Obvod je na obr. 6. Hodnoty součástek jsou opět změřeny pomocí DMM ELVIS a mají následující hodnoty: R1 = 10,048 kΩ, C1 = 133,9 nF.

Nejdříve vypočítáme mezní kmitočet RC obvodu:

Na nepájivém poli sestavíme RC obvod, připojíme vstupy a výstupy podle obr. 6. Z nabídky přístrojů NI ELVISmx Instrument Launcher vybereme Bode Analyzer a spustíme přístroj. Na panelu analyzátoru, který je na obr. 7, nastavíme především rozsah kmitočtu.

Obr. 7 Charakteristiky obvodu

Pomocí kurzorů určíme hodnoty při útlumu –3 dB:

• mezní kmitočet fMEZ = 120,14 Hz,
• fázový posuv φ = 41,22°.

Při simulaci obvodu pomocí Multisimu (ideální součástky) byl fMEZ = 116,4 Hz a φ = 45,4°. Zjištěné hodnoty mezního kmitočtu a posuvu RC článku jsou podobné.

V textu jsem naznačil možné použití prototypové laboratoře NI ELVIS II a její místo při návrhu elektronických obvodů. Výpočet hodnot součástek a návrh obvodového řešení si každý může ověřit programem MultiSIM. Sestavení obvodu se skutečnými součástkami potvrdí uživateli správnost návrhu. Použití prototypové laboratoře může zkvalitnit práci elektronika a výuku na odborných školách. Na rozdíl od Multisimu již zapojujeme obvody na nepájivém poli a pracujeme s reálnými součástkami (rozvíjíme praktické návyky v sestavování obvodů, měření pomocí PC...).

V závěru bych chtěl poděkovat firmě CADware s. r. o. za zapůjčení prototypové laboratoře pro potřeby jejího testování při výuce elektrotechnických oborů na VOŠ, SŠ, COP Sezimovo Ústí. Laboratoř jsem dále prezentoval v rámci seminářů pro učitele středních škol (téma „Projektové vyučování v ŠVP – nové formy a přístupy ve výuce elektrotechniky, elektroniky a automatizace“), které byly organizovány Regionálním konzultačním centrem při uvedené škole.