ПРИМЕНЕНИЕ МОДЕЛИРУЮЩИХ ПАКЕТОВ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ВИРТУАЛЬНЫХ ЛАБОРАТОРИЙ В АОС

ПРИМЕНЕНИЕ МОДЕЛИРУЮЩИХ ПАКЕТОВ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ВИРТУАЛЬНЫХ
ЛАБОРАТОРИЙ В АОС
А. П. Зайцев, О. М. Раводин, Л.А.Торгонский.
Томский университет систем управления и радиоэлектроники.
rom@keva.tusur.ru
Проектирование методического и материально-технического обеспечения лабораторных циклов по
учебным дисциплинам связано с преодолением достаточно противоречивых ограничений, среди которых
наиболее существенными представляются:
1. Сохранение дидактических средств приобретения навыков работы с приборами и исследуемыми
объектами;
2. Гибкость комплектования лабораторных установок объектами исследования и приборами;
3. Обеспечение мер безаварийной эксплуатации приборов и сохранности исследуемых объектов в
процессе выполнения работы и при непреднамеренных нарушениях режимов;
4. Стоимость обеспечения лабораторного цикла;
5. Возможность тиражирования и поставки средств обеспечения лабораторных циклов
потребителям.
Современный уровень развития вычислительной техники и ее программного обеспечения открывает
широкие возможности проектирования виртуальных тренажеров, установок.
Использование в АОС современных интегрированных пакетов позволяет
интенсифицировать
учебный процесс за счет автоматизации сложных вычислений с графическим представлением расчетных
временных и частотных характеристик. Разделы "Лабораторная работа" является "инструментальной"
частью АОС и могут состоять из нескольких моделирующих систем. Необходимость интеграции в АОС
нескольких моделирующих систем обусловлена разнообразием задач, которые невозможно решить в рамках
одной специализированной системы.
К таким пакетам могут быть отнесены Electronic WorkBench и LabView. Первый из них наряду с
моделирование широкого класса электрических и радиоэлектронных элементов, моделирует аналоговые и
цифровые микросхемы и поддерживает анализ схем в статических режимах, в частотной и временной
областях.
В набор приборов включены мультиметр, генератор перестраиваемой формы напряжения и тока,
двухканальный осциллограф с внутренней и внешней синхронизацией, входами постоянного и переменного
напряжения; измеритель амплитудно- и фазочастотных характеристик; цифровой анализатор; генератор
двоичных слов (16 восьмиразрядных слов); преобразователь логических выражений в комбинационные
схемы и обратно. Виртуальные приборные панели управления фактически повторяют форму панелей
соответствующих реальных приборов. Решающими достоинствами пакета являются:
1. Наличие графического редактора построения и редактирования электрических принципиальных схем с
одновременным подключением приборов типового набора;
2. Отображение результатов функционирования схемы на панелях измерительных приборов в точках их
подключения;
3. Моделирование и контроль параметров статического режима отображения на виртуальных шкалах
мультиметра, вольтметров, амперметров;
4. Моделирование и контроль амплитудно- и фазочастотных характеристик с отображением на
виртуальном экране измерителя-характериографа;
5. Моделирование и контроль переходных характеристик с отображением на виртуальном экране
осциллографа;
6. Моделирование и контроль реакций цифровой схемы на входные кодовые наборы по 8-ми каналам на
виртуальном экране логического анализатора.
В лабораторном цикле по дисциплине "Физические основы микроэлектроники" весьма доступно
реализуются лабораторные установки контроля вольтамперных характеристик (ВАХ), вольтфарадных
1
(ВФХ), переходных характеристик таких приборов, как диодов, биполярные полевые транзисторы и др.
Пользователь лабораторной установки может выбирать приборы, устанавливать диапазоны измерений,
контролировать напряжения и токи, временные их зависимости на шкалах и экранах виртуальных приборов.
Расширение базы виртуальных приборов с требуемыми функциональными свойствами, формами
панелей управления, формами отображения перемещение указателей обеспечивает пакет программ
LabView. Этот пакет представляет комплекс функциональных и конструктивных модулей, из которых
разработчик компонует и функционально и конструктивно требуемые приборы. Наряду с объектами синтеза
приборов пакет поддерживает работу с более простыми объектами, представляющими радиоэлементы,
функциональные узлы, микросхемы. Поэтому, под управлением пакета LabView могут разрабатываться
виртуальные лабораторные и установки, стенды с мнемосхемами и органами управления.
Исходное описание исследуемой динамической системы (что важно при проведении лабораторных
работ по курсу ТАУ) должно быть представлено в виде структурной схемы, состоящей из типовых блоков и
связывающих их линий. Включенный в АОС пакет СИАМ предлагает набор из 52 типовых блоков, 4 метода
численного интегрирования для анализа систем во временной области, а также 3 метода параметрической
оптимизации. Блоки, из которых строится схема, образуют следующие классы:
а) генераторы входных сигналов различной формы;
б) линейные блоки, у которых степень полинома числителя не превышает степени полинома
знаменателя и другие;
в) сумматоры и вычитатели;
г) логические и нелинейные блоки, в том числе умножители, блоки типовых нелинейных статических
характеристик, блоки с кусочно-линейной характеристикой произвольного вида;
д) блоки, осуществляющие различные математические операции, например извлечение корня,
логарифмирование, вычисление тригонометрических функций, квадратичных функционалов и др.
Моделирующая система позволяет получать передаточные функции исследуемой системы
автоматического управления, исследовать переходные процессы, оптимизировать САУ по некоторому
заданному параметру.
Эффективность применения АОС в большой степени зависит от качества методического обеспечения.
Методически обоснованный отбор информативного материала, формирование вопросов по существу
изучаемой темы, разработка заданий на выполнение практических и лабораторных занятий составляют
основу методического обеспечения. Качественное методическое обеспечение позволяет увеличить глубину
и сложность изучаемых вопросов, стимулирует интерес к изучаемой дисциплине.
Разработанная АОС по ТОЭ состоит из следующих разделов, объединённых программной оболочкой:
"Обучение", "Проверка знаний", "Лабораторная работа", "Данные и результаты", "Помощь".
В разделе "Обучение" приведены основные теоретические сведения по изучаемым темам. Входное
меню позволяет выбрать одну из изучаемых тем. В необходимых случаях раздел может служить основным
теоретическим источником.
Раздел "Проверка знаний" обеспечивает оценку степени готовности студента для выполнения заданий
по теме. В режиме контроля система определяет процент правильных ответов на 15-20 вопросов по теме. В
случае необходимости отрицательную оценку можно использовать в качестве блокировки режима
"Лабораторная работа".
В разделе "Лабораторная работа" помещён текстовый и графический материал, раскрывающий
содержание заданий, и необходимые методические указания по их выполнению.
2