Лабораторный комплекс для исследования цифровых схем как измерительная система и устройство сбора данных

Учебно-методическое пособие

Исследование цифровых схем в лабораторном комплексе на базе НАСТОЛЬНОЙ РАБОЧЕЙ СТАНЦИИ NI ELVIS II

описание

инструкции по работе с приборами

методические указания по выполнению лабораторных работ и курсового проекта

Оглавление

1. Введение.. 1

1.1. Лабораторный комплекс для исследования цифровых схем как измерительная система и устройство сбора данных.. 1

1.2. Структура измерительной системы в методологии компании National Instruments (NI) 5

1.3. О принципах функционирования осциллографов. 8

1.4. О частоте дискретизации.. 11

1.5. Типы источников сигналов и схемы измерений.. 12

2. Особенности построения и функционирования лабораторного комплекса на базе настольной рабочей станции NI ELVIS II. 16

2.1. Общая характеристика и структура лабораторного комплекса 16

2.2. Аппаратная часть комплекса.. 22

2.3. Включение рабочей станции.. 33

3. Принципы работы и инструкции по взаимодействию с виртуальными и реальными приборами.. 34

3.1. Функциональный генератор (Functional Generator, FGen) – FGEN.exe 34

Порядок использования функционального генератора. 36

3.2. Регулируемые источники питания (Variable Power Supplies, VPS) – VPS.exe 38

Порядок использования регулируемых источников питания. 41

3.3. Цифровой мультиметр (Digital MultiMeter, DMM) – DMM.exe 41

Порядок использования цифрового мультиметра. 42

3.4. Осциллографы, используемые в лаборатории «Схемотехника» 43

3.5. Встроенный цифровой осциллограф рабочей станции (NI SCOPE) – SCOPE.exe 44

Порядок использования встроенного осциллографа NI SCOPE.. 46

3.6. Модульный цифровой осциллограф NI PCI-5114. 47

Порядок использования. 51

Курсорные вычисления. 52

3.7. Аналоговый осциллограф С1-99. 53

Порядок использования осциллографа С1-99. 54

3.8. Краткие сведения о платах NI PCI-6533 и CB-68LPR.. 56

3.9. Счетчики/таймеры (Counters/Timers) 60

3.10. Конфликты ресурсов. 61

4. Методические указания по выполнению лабораторных работ по дисциплине «Схемотехника». 63

4.1. Лабораторная работа 1. Изучение рабочей станции, работы функционального генератора и осциллографов. 63

Порядок выполнения работы.. 63

Варианты заданий. 64

4.2. Лабораторная работа 2. Исследование работы формирователя логического сигнала 1-го типа 66

Варианты заданий. 67

Порядок выполнения работы.. 74

Содержание отчета. 82

Задание по УИРС.. 83

4.3. Лабораторная работа 3. Исследование работы формирователя логического сигнала 2-го типа 83

Варианты заданий. 85

Порядок выполнения работы.. 90

Содержание отчета. 91

Задание по УИРС.. 92

4.4. Лабораторная работа 4. Исследование работы инвертора ТТЛ 93

Порядок выполнения работы.. 94

Содержание отчета. 98

Варианты заданий. 99

Задание по УИРС.. 99

4.5. Лабораторная работа 5. Исследование работы инвертора КМОП 100

Краткое описание принципов работы элементов КМОП.. 100

Порядок выполнения работы.. 108

Содержание отчета. 110

Задание по УИРС.. 110

4.6. Лабораторная работа 6. Изучение виртуального датчика временных последовательностей (виртуального ДВП) 111

Порядок работы с виртуальным ДВП.. 122

4.7. Лабораторная работа 7. Изучение работы синхронных RS- и D-триггеров 122

Порядок выполнения работы.. 123

Содержание отчета. 124

4.8. Лабораторная работа 8. Изучение работы мультиплексоров 127

Порядок выполнения работы.. 128

Содержание отчета. 129

4.9. Лабораторная работа 9. Изучение работы регистров (сдвигателей) 130

Порядок выполнения работы.. 132

Содержание отчета. 132

4.10. Лабораторная работа 10. Изучение работы счетчиков. 133

Варианты заданий для К155ИЕ6. 134

Варианты заданий для К155ИЕ7. 134

Порядок выполнения работы.. 135

Содержание отчета. 137

5. Методические рекомендации по разработке курсового проекта с использованием среды NI Multisim и рабочей станции NI ELVIS II. 138

Порядок моделирования схем.. 139

Пример разработки курсового проекта.. 139

Литература, ссылки на источники информации по рабочей станции, дополнительному оборудованию и программному обеспечению.... 144

Введение

Лабораторный комплекс для исследования цифровых схем как измерительная система и устройство сбора данных

Лабораторный комплексдля исследования цифровых схем включает персональный компьютер, оснащенной специализированным программным обеспечением, и средства автоматизированного сбора информации о значениях физических параметров в заданных точках схемы: логического ключа, микросхемы или цифрового устройства небольшой сложности. Другими словами, комплекс представляет собой систему сбора данных[1] (ССД) о сигналах цифровых схем, а также первичной обработки, накопления, отображения и передачи данных.

Основная задача сбора данных заключается в измерениях – преобразованиях физических величин в данные, с которыми может работать компьютер.

Известно, что по способу сопряжения с компьютером системы сбора данных делятся на четыре типа:

· ССД на основе встраиваемых плат сбора данных со стандартным системным интерфейсом (наиболее распространен интерфейс PCI).

· ССД на основе модулей сбора данных с внешним интерфейсом (RS-232[2], RS-485[3], USB [4]).

· ССД, выполненные в виде крейтов (магистрально-модульные ССД – КАМАК[5], VXI[6], PXI[7]).

· ССД, представляющие собой группы цифровых измерительных приборов или интеллектуальных датчиков, для организации которых применяются интерфейсы GPIB[8], CAN[9] и другие.

В лабораторном комплексе используется технология фирмы National Instruments и предусмотрен сбор данных двух типов: с помощью встраиваемой платы сбора данных со стандартным системным интерфейсом PCI (плата цифрового ввода/вывода DAQ DIO[10] NI PCI-6533) и модуля сбора данных с внешним интерфейсом USB (настольная рабочая станция NI ELVIS II). В состав ПО рабочей станции NI ELVIS II входит комплект виртуальных измерительных приборов NI ELVISmx [11].

По способу получения информации лабораторный комплекс относится к ССДмультиплексного типа, в которой используется аналоговый коммутатор и общий для всех каналов блок аналого-цифрового преобразования. Пример принципиальной схемы блока аналогового ввода приведен на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Пример принципиальной схемы блока аналогового ввода

Мультиплексор (MUX) осуществляет последовательное подключение каждого из каналов аналогового ввода к усилителю с программируемым коэффициентом усиления. Усилитель с программируемым коэффициентом усиления[12] обеспечивает усиление входного сигнала в 1, 2, 4, 5, 8, 10, 16 или 20 раз в дифференциальной схеме подключения и отсутствие усиления в схеме с общим проводом. Усиление вычисляется автоматически на основании программируемого диапазона входных напряжений. Аналого-цифровой преобразователь[13] выполняет дискретизацию аналогового сигнала, то есть преобразует его в цифровой код. Если блок аналогового ввода может выполнять как однократное, так и многократное аналого-цифровое преобразование большого количества выборок, то используется FIFO буфер операций аналогового ввода (AI FIFO), который служит для хранения получаемых данных во время операции аналогового ввода.