ФГБОУ ВПО Национальный исследовательский университет «МЭИ», Москва
Универсальный измерительный комплекс
учебной лаборатории
АННОТАЦИЯ
Обсуждаются вопросы использования современных информационных технологий в учебной лаборатории технического университета.
Описаны возможности созданного автором программно - аппаратного комплекса на базе персонального компьютера в учебной лаборатории. Комплекс оформлен в виде универсального рабочего места и рассчитан на выполнение лабораторных и учебно - исследовательских работ по дисциплинам электротехнического, радиоэлектронного и информационно - измерительного профилей
Комплекс может быть использован как в высших, так и в средних специальных учебных заведениях.
ВВЕДЕНИЕ
В учебных планах технических специальностей университетов всегда присутствуют лабораторные занятия. Конечно, это относится ко всем естественно - научным дисциплинам и к некоторым дисциплинам гуманитарных учебных заведений. В учебной лаборатории студент приобретает так необходимые ему навыки практической работы.
Повсеместное внедрение персональных компьютеров (ПК) ставит перед системой высшего образования общую для всех специальностей задачу. Наши выпускники должны свободно владеть ПК и уметь использовать возможности современных информационных систем. К настоящему моменту эту задачу можно считать решенной, поскольку все сводится теперь только к поиску необходимых финансовых средств на приобретение ПК.
Будущие инженеры, кроме всего прочего, должны иметь навыки работы со специальными программными продуктами и владеть ПК на уровне программирования.
Поскольку в учебном процессе инженерных специальностей большое значение имеет лабораторный практикум, то качество подготовки кадров в значительной мере зависит от оснащения учебных лабораторий современной измерительной аппаратурой. Идеальным решением было бы использование цифровых измерительных комплексов, которые выпускаются различными фирмами и широко используются при производстве аппаратуры устройств и систем различного назначения. Каждый такой прибор, по сути, представляет собой специализированную вычислительную машину, которая может работать и совместно с ПК. Стоимость такого профессионального измерительного комплекса исчисляется десятками тысяч долларов, поэтому в лучшем случае можно рассчитывать на оснащение учебной лаборатории одним единственным экземпляром прибора. Конечно, будущие инженеры должны быть знакомы с современной измерительной техникой. Однако высокая стоимость побуждает к поиску более доступных с финансовой точки зрения решений.
Альтернатива состоит в использовании в учебной лаборатории некоторого универсального средства обучения. Наиболее простой и экономически необременительный путь, который получил сейчас большее распространение, это использования имитационных математических моделей. Современные графические и вычислительные возможности ПК настолько велики, что без особых проблем можно имитировать в реальном масштабе времени в интерактивном режиме достаточно сложные процессы, которые происходят в реальном объекте. Такой прием особенно оправдан при изучении уникальных объектов, элементов промышленного производства, опасных для жизни, а также при подготовке обслуживающего персонала.
Однако ясно, что достоверное воспроизведение реального объекта средствами численного моделирования невозможно. Поэтому, если упомянутые выше соображения не являются доминирующими, то для дисциплин, так или иначе связанных с электричеством или с электрическими измерениями, возможно, иное решение проблемы. Оно состоит в использование аналого-цифрового (АЦП) и цифро - аналогового (ЦАП) преобразователей, которые позволяют объединить реальный объект и ПК в программно - аппаратный комплекс (ПАК).
Числовые данные, полученные АЦП, могут быть использованы любыми математическими и сервисными программами, а численные данные, сформированные программным средствами, ЦАП преобразует в испытательные токи и напряжения, которые необходимы для изучения свойств реального объекта.
Учебно-лабораторный комплекс (УЛК), описание которого представлено ниже, разработан кафедрой основ радиотехники Московского энергетического института и является результатом многолетнего опыта преподавания курсов ОТЦ и РЦС [1].
1. назначение комплекса и ЕГО МЕтодическая концепция
Комплекс предназначен для изучения дисциплин электротехнического и радиоэлектронного профиля. К ним, прежде всего, следует отнести:
1) теорию цепей,
2) основы радиотехники,
3) радиотехнические цепи и сигналы,
4) электротехнику и электронику,
5) схемотехнику.
При создании комплекса мы руководствовались общероссийскими учебными программами, что обеспечивает возможность постановки и проведения лабораторных работ традиционного типа (изучение реальных физических объектов, содержащих электрические цепи и находящиеся под воздействием испытательных сигналов).
Однако, УЛК предоставляет возможность проведения учебных занятий нового типа, в которых физическое моделирование интегрировано с другими важнейшими сторонами учебного процесса - математическим моделированием, обработкой экспериментальных данных, получением дополнительной информации об объекте исследования, формированием и проверкой теоретических гипотез и т. п.
Комплекс разрабатывался в первую очередь для вузовских учебных лабораторий по курсам “Основы теории цепей”, "Радиотехнические цепи и сигналы". Однако его можно использовать и в соответствующих учебных лабораториях средних профессиональных учебных заведений.
Сама идея использование ПК в качестве измерительного комплекса не нова. Новизна концепции созданной нами в МЭИ лаборатории заключается в том, что мы отказались от создания специализированных лабораторных установок под каждую дисциплину. Реализация этой идеи стала возможной благодаря использованию: в качестве источников электрических колебаний и измерителей персонального компьютера совместно с ЦАП и АЦП, коммутационного поля для сборки электрических цепей из стандартных радиокомпонент. Таким образом, комплекс становиться универсальным рабочим местом (УРМ), которое рассчитано на выполнение лабораторных и учебно-исследовательских работ по дисциплинам электротехнического, радиоэлектронного и информационно - измерительного профилей (см. рис.1). Комплекс принципиально отличается от традиционно используемых лабораторных установок тем, что в нем отсутствует привычный комплект генераторов и измерительных приборов, а их роль выполняет многофункциональная лабораторно - измерительная система («ЛИСа») на базе персонального компьютера. Созданная техническая база открывает широкие возможности для педагогического творчества, т. к. постановка и модернизация лабораторных работ осуществляется не столько аппаратными, сколько программными средствами [2].
а б
Рис. 1. Один из вариантов УЛК. Коммутационное поле (а) и общий вид комплекса (б).
2. Состав комплекса
Комплекс состоит из программного интерфейса и аппаратных средств.
Программное обеспечение состоит из двух частей, которые реализуют универсальный источник колебаний и универсальный измеритель. Обе части объедены единым оконным интерфейсом, и справочной системой.
Универсальный источник колебаний содержит (см. рис.2 и 3):
1) генератор непрерывного синусоидального колебания;
2) генератор амплитудно-модулированного колебания;
3) генератор частотно-модулированного колебания;
4) генератор колебания с линейной частотной модуляцией;
5) генератор прямоугольных видио и радиоимпульсов;
6) генератор треугольных видио - и радиоимпульсов,
7) генератор форма импульса, которого задается графически;
8) генератор полигармонического колебания в виде суммы 10 гармоник основной частоты;
9) генератор колебаний по отсчетам, которые хранятся в файле.
Рис.2. Генератор синусоидального напряжения
В состав универсального измерителя входят (см. рис. 4 и5):
1) двухканальный осциллограф;
2) мультиметр для измерения среднего, средне выпрямленного, среднеквадратичного и пикового значений напряжения, а также номиналов резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности;
3) измеритель отношений комплексных амплитуд гармонических сигналов (фазовый вольтметр);
4) анализатор спектра;
5) измеритель частотных характеристик;
6) измеритель закона распределения случайного сигнала;
7) измеритель корреляционных функций сигналов и шумов;
8) измеритель спектральной мощности шума.
Рис.3. Генератор импульсного напряжения
Рис.4. Двухканальный осциллограф.
Результаты всех измерений можно сохранить на диске в виде текстовых файлов, формат которых совместим с пакетами «MathCAD» и «Excel».
Связь с внешними аппаратными средствами организована через динамические библиотеки. Это позволяет легко включать в состав комплекса новые устройства. В настоящее время комплекс работает со звуковой платой ПК, аппаратурой фирмы “Velleman” (генератор PCG10 и измеритель PCS500 LPT, а также PCSGU250 USB), фирмы “Hantek” (генератор DDS-3X25 и измеритель DSO-2150 USB), аппаратным генераторно - измерительным комплексом, разработанным кафедрой ОРТ МЭИ.
Заключение
Созданный нами ПАК прошел всесторонние испытания на кафедре ОРТ МЭИ, в том числе и в условиях выполнения лабораторных работ потоками студентов различных курсов по различным дисциплинам.
Его использование позволяет совместить в рамках одного занятия эксперимент, теоретический расчет и численное моделирование. Все это будучи дополненным удобным доступом к информационным базам данных, позволяют поставить перед студентом совершенно новую учебную задачу. Задачу разработки и проверки гипотез, которые объясняют причины различия теоретических положений курса лекций и реальных явлений.
Комплекс может быть использован как в высших, так и в средних специальных учебных заведениях. Кафедра имеет опыт использования комплекса в средней школе для выполнения индивидуальных заданий по физике.
Рис. 5. Мультиметр
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. , , и др. Учеб. мед комплекс «Радиотехнические цепи и сигналы». – Информатизация инженерного образования, М.: из-во МЭИ, 2008, вып. 3 – С. 223-227.
2. , В. Концепция организации учебной лаборатории кафедры персональной электроники – Вестник Университета «Дубна» - 2005 - №4 – С. 4-11.
3. В. Универсальное рабочее место учебной лаборатории. – Изв. ВУЗов. Физика -2, № 9/3, 2010 – С. 232-234.
