Разработка типового специализированного АРМ по исследованию электрических цепей и элементов электроники в среде Multisim

Размещено на http://www.allbest.ru/

Департамент по авиации

Министерства транспорта и коммуникаций Республики Беларусь

Белорусская государственная академия авиации

Отчет по преддипломной практике

«Разработка типового специализированного АРМ по исследованию электрических цепей и элементов электроники в среде Multisim (АРМ-Электроник)»

Название организации прохождения практики: кафедра ОТД УО «БГАА»

Выполнил курсант гр.П210

Балич Е.В.

Проверил Монич Н.А.

Минск, 2015г.

ВВЕДЕНИЕ

Современное состояние и перспективы развития гражданской авиации (ГА) настоятельно требуют решения кардинальных проблем, таких как повышение надежности, безопасности и регулярности полетов воздушных судов (ВС), что обусловлено, в первую очередь, увеличением интенсивности их движения и снижением метеоминимума. Эффективное управление воздушным транспортом ныне немыслимо без разнообразного и сложного электронного, радиоэлектронного оборудования, применяемого в аэропортах и на борту ВС.

Сфера применения электроники постоянно расширяется. Практически каждая достаточно сложная техническая система оснащается электронными устройствами. Трудно назвать технологический процесс, управление которым осуществлялось бы без использования электроники. Функции устройств электроники становятся все более разнообразными.

Очевидно, что экипаж ВС, а также инженерный состав наземных служб должны хорошо знать основные физические принципы построения и эксплуатационные возможности электронного, радиоэлектронного оборудования. Знание основ электронного, радиоэлектронного оборудования необходимо всем работникам ГА. Естественно, уровень этих знаний для различных категорий работников должен быть различным.

Современный уровень развития техники, а также острая необходимость автоматизации и внедрения наукоемких технологий в промышленности существенно повышают требования к выпускникам технических ВУЗов. Введение новых образовательных стандартов и практико-ориентированный подход к обучению студентов являются базовыми основами подготовки специалистов, соответствующих современным требованиям.

Дисциплина «Электротехника и электроника» относится к числу общепрофессиональных дисциплин в системе подготовки авиационных специалистов с высшим образованием.

Дисциплина «Электротехника и электроника» имеет большое значение в общей подготовке инженеров, невозможно качественно и успешно эксплуатировать авиационную технику без глубоких знаний в области электротехники и электроники.

Изучение общепрофессиональной дисциплины «Электротехника и электроника» в вузах эффективно лишь тогда, когда наряду с овладением основ теории, специалисты (студенты) в условиях проведения лабораторного эксперимента приобретают практические навыки подготовки и испытания электрических цепей и устройств. В частности, приобретают навыки измерения электрических величин, обработки экспериментальных данных, построения временных и векторных диаграмм электрических величин и характеристик устройств, а также экспериментально получают подтверждения теоретических положений, рассмотренных на лекциях.

Инженер должен иметь представление о работе электрических и магнитных цепей, о принципе действия основных узлов электрооборудования, быть ознакомлен с элементами электроники и электроизмерительными приборами, уметь правильно их эксплуатировать. Также должен знать и уметь использовать методы расчёта электрических цепей и несложных узлов электроники. Знание основных характеристик элементов электрооборудования и электроники позволит специалисту устранить их неисправности, а также осуществлять мероприятия по предотвращению производственного происшествия.

Наряду с этим, неотъемлемым условием успешного обучения студентов является модернизация лабораторной базы кафедры ОТД УО «БГАА», их оснащение современными учебно-научными комплексами. Занятия в учебной лаборатории являются одним из важных этапов образовательного процесса. В лаборатории студенту предоставляется возможность наблюдать и исследовать на практике теоретические положения, пройденные в рамках лекционных занятиях.

Для полноценного проведения измерений требуется иметь набор разнообразных приборов. Стоимость современных приборов с хорошими характеристиками высокая. Вследствие этого комплектация учебной лаборатории измерительными приборами является достаточно сложной задачей. Уменьшить стоимость комплектации лаборатории приборами при сохранении качества учебного процесса на должном уровне позволяет использование так называемых виртуальных электронных лабораторий.

В настоящее время используются такие компьютерные программы, позволяющие моделировать различные процессы в электрических и электронных цепях, как PSPICE, ORCAD, Multisim, P-CAD, Altium designer и др.

Компьютерные программы в учебном процессе могут применяться как замена дорогостоящего оборудования виртуальным. Они позволяют реализовать: быстрое выполнение сложных измерений; высокую точность измерений и глубокий анализ погрешностей.

Компьютерные технологии являются мощным средством для усиления учебного процесса, расширяя возможности для изучения электронных схем и различных приборов.

Поэтому целью дипломной работы является создать оптимальные условия обучения специалиста (студента) для достижения академических компетенций, а именно АК-1, АК-2, АК-3, АК-4, АК-6, АК-7 предусмотренные в образовательном стандарте ОСВО, 1-37 04 02-2013 «Техническая эксплуатация авиационного оборудования (по направлениям)», а также усовершенствовать учебный процесс.

Для достижения данной цели в дипломной работе поставлены задачи:

1. Разработать структурную схему и определить состав автоматизированного рабочего места.

2. Выполнить сравнительный анализ компьютерных программ по исследованию элементов электротехники и электроники.

3. Разработать лабораторный практикум по исследованию элементов электротехники и электроники в среде Multisim.

1. ОБОСНОВАНИЕ РАЗРАБОТКИ АРМ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРОНИКИ В СРЕДЕ MS

1.1 Анализ и оценка влияния элементов электроники на уровень безопасности полетов самолетов

multisim электротехника программа компьютерный

Литература по УМО, происшествия и катастрофы в РБ и РФ за последних 3 года, связанные с ошибочными выполнения технической эксплуатации инженеров наземных служб и летного состава.

1.2 Формирование технических требований к АРМ, его состав, структура и задачи

Согласно международному стандарту ГОСТ34.003-90 «Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Автоматизированные системы. Термины и определения», термин АРМ - это программно-технический комплекс автоматизированной системы, предназначенный для автоматизации деятельности определенного вида (рисунок 1).

Рисунок 1 - комплекс АРМ

Функции АРМ: совокупность действий РМ, направленная на достижение определенной цели.

Задача АРМ: функция или часть функции РМ, представляющая собой формализованную совокупность автоматических действий, выполнение которых приводит к результату заданного вида.

Алгоритм функционирования АРМ: алгоритм, задающий условия и последовательность действий компонентов рабочего места при выполнении ею своих функций.

Согласно международному стандарту ГОСТ34.003-90 выбраны основные компоненты АРМ, подходящие для реализации «АРМ-Электроник», которые представлены на блок-схеме черновой вариант

Пользователь автоматизированного рабочего места - лицо, участвующее в функционировании РМ или использующее результаты ее функционирования.

Эксплуатационный персонал АРМ - эксплуатационный персонал.

Методическое обеспечение АРМ - совокупность документов, описывающих технологию функционирования АС, методы выбора и применения пользователями технологических приемов для получения конкретных результатов при функционировании.

Техническое обеспечение АРМ - совокупность всех технических средств, используемых при функционировании РМ.

Математическое обеспечение АРМ - совокупность математических методов, моделей и алгоритмов, примененных в РМ.

Программное обеспечение АРМ - совокупность программ на носителях данных и программных документов, предназначенная для отладки, функционирования и проверки работоспособности РМ.

Информационное обеспечение АРМ - совокупность форм документов, классификаторов, нормативной базы и реализованных решений по объемам, размещению и формам существования информации, применяемой в РМ при ее функционировании.

Эргономическое обеспечение АРМ - совокупность реализованных решений в РМ по согласованию психологических, психофизиологических, антропометрических, физиологических характеристик и возможностей пользователей РМ с техническими характеристиками комплекса средств автоматизации РМ и параметрами рабочей среды на рабочих местах персонала РМ.

Комплекс средств автоматизации АРМ - совокупность всех компонентов АС, за исключением людей.

Компонент АРМ - часть РМ, выделенная по определенному признаку или совокупности признаков и рассматриваемая как единое целое.

Комплектующее изделие АРМ - изделие или единица научно-технической продукции, применяемое как составная часть РМ в соответствии с техническими условиями или техническим заданием на него.

Программное изделие АРМ - программное средство, изготовленное, прошедшее испытания установленного вида и поставляемое как продукция производственно-технического назначения для применения в РМ.

Информационная база АРМ - совокупность упорядоченной информации, используемой при функционировании РМ.

Внемашинная информационная база АРМ - часть информационной базы РМ, представляющая собой совокупность документов, предназначенных для непосредственного восприятия человеком без применения средств вычислительной техники.

Машинная информационная база АРМ - часть информационной базы РМ, представляющая собой совокупность используемой в РМ информации на носителях данных

1.3 Сравнительный анализ компьютерных программ по исследованию элементов электроники

Рассмотрено изучение электрических систем и процессов с помощью компьютерного моделирования. Такое моделирование позволяет углубить и интенсифицировать изучение различных электротехнических дисциплин, таких как электротехника, электроника, метрология, цифровая техника, вычислительная техника, радиотехника, техника связи и других. Оно дополняет исследование электрических процессов, проводимых на реальных макетах.

Задачи исследования. Проанализировать возможности программ для исследования электрических схем и систем и предложить компьютерные методы изучения электротехнических дисциплин.

Объект исследования. В качестве объекта исследования рассматриваются компьютерные программы, позволяющие моделировать различные процессы в электрических и электронных цепях.

В настоящее время для этих целей используются PSPICE, ORCAD, Multisim, P-CAD, Altium designer и др.

Рассмотрим общие характеристики программ схемотехнического моделирования.

Программа Altium Designer - это мощная система, позволяющая реализовывать проекты электронных средств на уровне схемы или программного кода. Разработка печатной платы возможна в трёхмерном виде с двунаправленной передачей информации в механические системы автоматизированного проектирования (Solid Works, Pro/ENGINEER и др.).

Программа Pspice. Программа является модификацией программы анализа электронных цепей SPICE. Позволяет моделировать электронные цепи и устройства. Модели электронных компонентов в формате SPICE используются большинством других программ схемотехнического моделирования. В первых версиях Pspice исходные данные о цепи готовились в текстовой форме в виде списка соединений. Результаты моделирования также представлялись в текстовой форме.

Позднее появился графический редактор Schematics, позволяющий создавать и редактировать чертежи принципиальных схем. Schematics является одновременно управляющей оболочкой для запуска других модулей Pspice. Для представления результатов расчетов в удобной форме служит графический постпроцессор Probe. Он выводит на экран графики результатов моделирования и выполняет их математическую обработку.

Программа Micro-CAP. Программа имеет удобный графический редактор, позволяющий создавать и редактировать принципиальные схемы аналоговых и цифровых устройств. В состав пакета Micro-CAP входит также программа расчета параметров моделей аналоговых элементов по результатам экспериментальных исследований.

Основные виды анализа, выполняемые программой:

- расчет статического режима по постоянному току;

- расчет частотных характеристик линеаризованной цепи;

- расчет реакции во временной области при произвольных входных воздействиях;

- анализ шумов и параметрической чувствительности;

- многовариантный анализ, включая статистический анализ методом Монте-Карло.

Программа позволяет моделировать как аналоговые, так и смешанные аналого-цифровые устройства. Она имеет обширную библиотеку моделей компонентов ведущих фирм США, Европы и Японии.

Программа Multisim. Первые версии программы, появившиеся в девяностые годы имели название Electronics Workbench. Программа имела очень простой и интуитивно понятный графический интерфейс. Этим объясняется ее популярность в учебных заведениях. Последние версии программы носят название Multisim. Особенностью программы является наличие большого числа виртуальных измерительных приборов, имитирующих реальные аналоги. По набору приборов, включенных в исследуемую схему, программа автоматически выберет режим моделирования (расчет частотных или временных характеристик, режим постоянного тока). Последние версии программы используют математические модули и модели компонентов SPICE. Важная особенность программы заключается в том, что Multisim поддерживает взаимодействие с графической средой LabVIEW, предназначенной для разработки программно-аппаратных средств измерения и управления.

Программа Circuit Maker предназначена для моделирования аналоговых, цифровых и смешанных аналого-цифровых устройств. Она имеет удобный графический интерфейс, позволяющий быстро подготовить электрические схемы аналоговых и цифровых устройств. Результаты моделирования выводятся в графической форме, в виде осциллограмм и графиков частотных характеристик. Имеется студенческая версия программы, распространяемая бесплатно. Разрешено использование этой версии на домашних компьютерах студентов.

Программа PSIM. Эта программа разработана специально для моделирования устройств энергетической электроники. Программа имеет простой и удобный в использовании графический интерфейс. Математический модуль PSIM использует эффективные алгоритмы анализа нелинейных цепей. Базовый пакет PSIM включает схемный редактор PSIM schematic program, моделирующую программу PSIM simulator и графический постпроцессор Simview.

Основные особенности программы PSIM:

- легкость использования;

- анализ частотных характеристик;

- возможность работы с пакетом Matlab;

- расчет как временных, так и частотных характеристик;

- обширная библиотека моделей силовых компонентов.

Как правило, приведенные компьютерные программы содержат в себе большое количество моделей электронных устройств, моделей приборов, просты в обращении, не требуют глубоких знаний в компьютерной технике, имеют интуитивно понятный интерфейс, могут работать с большим числом компьютерной периферии.

Для полноценного проведения измерений требуется иметь набор разнообразных приборов. Стоимость современных приборов с хорошими характеристиками высокая. Вследствие этого комплектация учебной лаборатории измерительными приборами является достаточно сложной задачей. Уменьшить стоимость комплектации лаборатории приборами при сохранении качества учебного процесса на должном уровне позволяет использование так называемых виртуальных электронных лабораторий.

Компьютерные программы в учебном процессе могут применяться как замена дорогостоящего оборудования и позволяют реализовать:

- быстрое выполнение сложных измерений;

- высокую точность измерений и глубокий анализ погрешностей.

В качестве виртуальной лаборатории для изучения средств и методов измерений может использоваться программа Multisim.

Виртуальная электронная лаборатория на базе программы Multisim, содержит в своем составе большое количество приборов: амперметров, вольтметров, мультиметров, измерительных генераторов, фазометров, частотомеров, многоканальных осциллографов, спектральных анализаторов, устройств для измерения амплитудной и фазочастотных характеристик и др. По внешнему виду, органам управления и характеристикам эти приборы максимально приближены к их промышленным аналогам, что способствует приобретению практических навыков работы с наиболее распространенными приборами.

Программа Multisim дает возможность имитировать действительные параметры элементов (задавать погрешность изготовления), вводить искусственные неисправности (короткие замыкания, обрывы и т. д.), менять входные и внутренние параметры приборов (внутренние сопротивления амперметров и вольтметров, входные сопротивления и емкости осциллографов, полосу пропускания графопостроителя и спектрального анализатора и др.). В результате можно исследовать влияние указанных изменений режимов и параметров на погрешности измерения. При использовании реальных приборов такие возможности для эксперимента часто реализовать не удается. Следует отметить, что программа Multisim легко усваивается и достаточно удобна в работе. Результаты исследований отображаются в удобной форме (числовой, табличной, графической), их можно сохранить и в дальнейшем обрабатывать в соответствии с заданными требованиями.

В результате виртуальная лаборатория Multisim позволяет отрабатывать методику измерений, методику обработки результатов измерений и изучить работу дорогостоящих приборов.

Таким образом, компьютерные технологии являются мощным средством для усиления учебного процесса, расширяя возможности для изучения электронных схем и различных приборов.

При таком подходе к исследованиям электронных схем и измерениям отпадает риск выведения из строя радиоэлементов или дорогостоящих измерительных приборов. Вы всегда уверены в исправности элементов схемы и точности измерительных приборов. Имеется возможность вести разработку и исследование устройства, подбирая параметры радиоэлементов, а не рассчитывая их.

Таким образом, компьютерное моделирование позволяет успешно решать различные задачи проектирования, исследования электронных схем, изучения работы измерительных приборов. Это способствует совершенствованию учебного процесса.

2. РАЗРАБОТКА ТИПОВОГО СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОГО АРМ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ И ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРОНИКИ

АРМ - это специализированная система, набор технических средств и программного обеспечения, ориентированного на конкретного специалиста - инженера.

Типовое АРМ по исследованию электрических цепе й и элементов электроники (АРМ-Электроник) предназначен для модернизации лабораторной базы кафедры ОТД, которое улучшает условия проведения научно-исследовательской работы студентами, магистрантами и являются одним из этапов при реализации практико-ориентированной подготовки специалистов.

Планируется составить десять автоматизированных рабочих мест для проведения практических занятий и лабораторных работ по дисциплине «Электротехника и Электроника».

В технический состав каждого рабочего места лаборатории входят:

· Персональный компьютер;

· Программное обеспечение среды моделирования National Instruments;

· Методическое пособие по выполнению лабораторных и практических работ.

Важная особенность программы заключается в том, что Multisim поддерживает взаимодействие с графической средой LabVIEW, предназначенной для разработки программно-аппаратных средств измерения и управления.

Преимуществами данного лабораторного комплекса являются:

· Универсальность и многофункциональность;

· Уменьшение затрат на создание, развитие и модернизацию лабораторной базы;

· Гибкость внедрения в учебный процесс, простота обслуживания;

· Уменьшение времени на практическое освоение учебного материала студентами;

2.1 Методика работы на АРМ по исследованию виртуального диода при различных режимах работы

Методика работы виртуального диода основано на исследовании ВАХ. Среда моделирования MS позволяет выбранный диод, имитировать, вводя искусственные неисправности (короткие замыкания, обрывы и т. д.), и при этом исследовать и получать ВАХ различных режимов работы.

Панели инструментов Multisim

Размещено на Allbest.ru