лабораторные работы на NI ELVIS

Преобразуем стандартное уравнение напряжения делителя для вычисления сопротивления термистора:

RT = R1 * VT/(Vпит –VT).

При температуре окружающей среды, равной 25 °C, сопротивление должно быть примерно 10 кОм.

Данное уравнение, называемое масштабирующей функцией, позволяет преобразовать измеренное напряжение в сопротивление термистора.

VT можно легко измерить с помощью NI ELVIS DMM или создав соответствующий ВП.

В LabVIEW предыдущее уравнение можно запрограммировать для работы в качестве виртуального подприбора (ВПП), блок-диаграмма которого будет выглядеть следующим образом.

Задание 7.3 Калибровка термистора

Обычно кривая отклика термистора представляет собой зависимость сопротивления данного устройства от температуры. Из вида кривой становятся очевидными три особенности поведения термистора:

температурный коэффициент ΔR/ΔT – отрицателен, кривая отклика – нелинейная (экспоненциально), сопротивление изменяется на порядки. Для калибровки термистора необходимо построить калибровочную кривую, которая получается аппроксимацией кривой отклика математическим выражением. Для этого в LabVIEW содержатся все необходимые средства. Как только формула будет найдена, в калиброванном диапазоне можно будет найти любую температуру для любого сопротивления. Следующий ВП является типичным для калибровки термистора и демонстрирует, каким образом можно использовать узел Формула (formula node) для вычисления математических выражений.

Задание 7.4 Создание цифрового виртуального термометра на базе NI ELVIS

Программа, обеспечивающая функциональность цифрового термометра, будет содержать ВПП для управления перестраиваемым источником питания с целью подачи напряжения на схему термистора. Она будет считывать напряжение на

термисторе и преобразовывать его в значение температуры. Основная программа является разновидностью приложения Simple Variable Power Supply Application, которое можно найти в руководстве пользователя NI ELVIS User Manual на рис. 4-1. Блок-диаграмма ВП представлена ниже.

NI ELVIS имеет тот же номер устройства Device Number (обычно 1), что и DAQ плата. Сначала ВПП NI ELVIS Initialization выбирает для работы линию с положительным напряжением источника питания VPS Supply+.

Затем ВПП VPS[Update] устанавливает уровень напряжения ПИП равным +3 вольта.

Этапы измерения, масштабирования, калибровки и отображения следуют друг за другом и помещены в цикл по условию While Loop. ВП VoltsIn измеряет напряжение на термисторе. ВП Scaling преобразует измеренное напряжение в сопротивление в соответствии с масштабирующей функцией. ВП Convert R-T использует известное калибровочное уравнение для преобразования сопротивления термистора в температуру. И в завершение, значение температуры отображается на различных индикаторах лицевой панели LabVIEW.

Функция задержки Wait обеспечивает считывание напряжения каждые 1/10 секунды. Цифровой термометр будет работать до тех пор, пока не будет нажата кнопка [Stop] на лицевой панели. Когда цикл завершит свое выполнение, ссылка на источник питания будет закрыта и напряжение ПИП будет установлено в ноль.

Зайдите в библиотеку ВП Hands-On NI ELVIS и запустите ВП Digital Thermometer.

Переключитесь на блок-диаграмму ВП и откройте все ВПП, чтобы наблюдать поток данных и содержимое ВПП Read и Convert.

Используя файл с калибровочными данными для вашего термистора, вы можете создать собственный ВПП (преобразователь R в T) и использовать его для создания цифрового термометра.

Те, кто желает написать свою собственную программу, могут использовать ВП DT Template (находится в библиотеке ВП NI ELVIS) и изменить его согласно своим предпочтениям. ВПП для работы с ПИП находятся в палитре Instruments (I/O)/Instrument Drivers/NI ELVIS/NI ELVIS/Variable Power Supply.

Задание 7.5 Цифровой термометр с запоминанием набора значений

На лицевой панели простейшего цифрового термометра содержатся три индикатора: простой числовой, экспонометр и, собственно, термометр. Чаще всего требуется один, максимум, два формата отображения. Однако весьма полезным бывает возможность сохранять не только текущее, но и предыдущие значения температуры, чтобы проследить ее изменение. В ВП DT Logger.vi (находящемся в библиотеке ВП Hands-On NI ELVIS) на лицевую панель добавлена развертка осциллограмм (Waveform Chart), которая находится в палитре Controls»Graph.

Загрузите из библиотеки Hands-On NI ELVIS ВП DT Logger.vi и

посмотрите на его работу.

Постройте зависимость ΔT от времени для нахождения окружающей температуры.

Лабораторная работа 8.

Применения светодиодов

Цель работы: изучение инструментов NI ELVIS для исследования свойств диода, методик его тестирования, создания двоичных кодов для управления светофором на перекрестке, а также использованию ВП NI ELVIS для автоматического управления светофором.

Краткая теоретическая часть

Электронный диод имеет особое свойство: в одном направлении ток течет через него свободно (прямое смещение), а в обратном – блокируется.

Данная особенность диода – возможность нахождения его в двух состояниях – приводит ко многим интересным аналоговым и цифровым схемам.

Светодиоды – удивительные устройства. Если вы умножите пороговое напряжение VT на заряд электрона, то получите энергию, которая практически совпадает с шириной запрещенной зоны полупроводникового материала, из которого сделан диод. Далее, при излучении света в режиме прямого смещения фотоны имеют энергию hc/λ, где h – постоянная Планка, с – скорость света, λ – длина волны, соответствующая центру энергетического распределения. Закон сохранения энергии приводит к следующему уравнению:

eVT ~ hc/λ ,

где e – заряд электрона.

Посмотрев техническое описание светодиода, вы можете определить длину волны излучения или цвет светодиода. Например, длина волны излучения красных светодиодов равна примерно 560 нм. Используя ВАХ светодиода (см. упражнение 7-2), вы можете измерить пороговое напряжение VT. Если вы построите зависимость VT от 1/λ для светодиодов различных цветов, то получите прямую линию с наклоном, примерно равным комбинации фундаментальных констант hc/e.

Интерактивные панели управления (ИПУ), используемые в данной лабораторной работе

Цифровой тестер диодов DMM[ ],Two Wire Current-Voltage Analyzer (двухпроводной вольтамперный анализатор), Digital Writer (запись в цифровые линии)

Компоненты, используемые в данной лабораторной работе

Кремниевый диод и 6 светодиодов (2 красных, 2 желтых и 2 зеленых)

Задание 8.1 Проверка диодов и определение их полярности

Полупроводниковый диод представляет собой полярное устройство, один конец которого отмечают полоской и называют катодом, а другой – анодом. Существует много способов отметки полярности на корпусе диода, однако одно остается неизменным. Положительное напряжение, приложенное к аноду,

приведет к режиму прямого смещения диода, что вызовет протекание тока. Для определения полярности диода мы будем использовать NI ELVIS.

В меню запуска инструментов NI ELVIS выберите функцию DMM. Нажмите кнопку [ ].

Присоедините один из светодиодов к контактам рабочей станции DMM (current) HI и LO. В случае если диод не будет пропускать тока, на индикаторе будет отображаться то же значение, что и в отсутствии диода. Когда светодиод пропускает ток, он будет излучать свет, а уровень напряжения на индикаторе будет меньше, чем при разомкнутой схеме. Протестируйте красный светодиод в обоих режимах включения. Когда вы увидите излучение света, это означает, что к контакту LO или к черной однополюсной розетке (banana jack) присоединен анод.

Этот простейший тест можно использовать и для проверки полярности других диодов. Например, при включении кремниевого диода в режиме прямого смещения на индикаторе будет показано напряжение меньше 3.5 вольт и появится слово “Good” (т.е. «работоспособный»). При включении же диода в режиме обратного смещения на индикаторе будет отображаться напряжение, как и в случае разомкнутой цепи (~ 3.5 вольта), и появится слово “Open” («разомкнутая цепь»).

Как работает эта установка? На индикаторе отображается напряжение, необходимое для создания слабого тока порядка 1 мА. В режиме прямого смещения этот уровень напряжения невелик и зависит от материала, из которого сделан диод. В режиме обратного смещения ток не течет, поэтому тестер показывает напряжения разомкнутой цепи – примерно 3.5 вольта.

Задание 8.2 Вольтамперная характеристика диода

Вольтамперная характеристика (ВАХ) диода – это график зависимости тока, текущего через диод, от напряжения, которое к нему приложено. ВАХ наилучшим образом отражает электронные свойства диода. Поместите кремниевый диод между контактами DMM (current) на лицевой панели станции. Убедитесь, что анод присоединен к черной однополюсной розетке.

В меню запуска инструментов NI ELVIS выберите функцию Two Wire Current-Voltage Analyzer (двухпроводной вольтамперный анализатор). Появится ИПУ, позволяющая строить вольтамперные характеристики испытуемых устройств. Данная ИПУ прикладывает к диоду пробное перестраиваемое напряжение в определенных пределах и с определенным шагом (все эти параметры задаются пользователем).

Для кремниевого диода задайте следующие параметры: Start –2 В

Stop +2.0 В

Increment 0.1 В

Обратите внимание, что при тестировании можно установить максимальный ток в обоих направлениях. Это позволяет избежать тех режимов работы диодов, когда возможно их повреждение. Нажмите кнопку запуска Run и наблюдайте за построением ВАХ.

В области обратного смещения ток должен быть весьма мал (микроамперы) и отрицателен. При прямом смещении после некоторого порогового напряжения вы увидите экспоненциальное нарастание тока до предельного значения. Попробуйте различные режимы отображения графика, нажимая кнопки [Linear/Log] (линейный/логарифмический масштабы) из раздела Display. Испытайте работу курсора Cursor. Перетаскивая курсор по графику, можно определить текущее значение координат (I,V).

Из физики известно, что пороговое напряжение зависит от полупроводникового материала, из которого изготовлен диод. Для кремниевого диода пороговое напряжение равно примерно 0.6 вольта, а для германиевого – примерно 0.3 вольта. Одним из способов оценки порогового напряжения является построение касательной прямой при максимальном токе в области прямого смещения (см. следующий рисунок). Точка, в которой касательная пересекает ось напряжения, определяет пороговое напряжение.

Рисунок 8.1. ВАХ светодиода. Пороговое напряжение получается из пересечения касательной с осью напряжений.

Используя ИПУ Two Wire Current-Voltage Analyzer, определите пороговое напряжение для красного, желтого и зеленого светодиодов и заполните следующую таблицу.

Красный светодиод ____________ В Желтый светодиод ____________ В Зеленый светодиод ____________ В

Сделайте выводы.

Задание 8.3. Ручная проверка и управление светофорами на перекрестке

Разместите на макетной плате NI ELVIS шесть цветных светодиодов, так чтобы они моделировали светофоры на перекрестке.

Каждый из светодиодов будет управляться одним битом из 8-битной параллельной шины макетной платы NI ELVIS. Выходные контакты этой шины имеют наименования Write <0–7>. Присоедините контакт Write <0> к аноду красного светодиода, находящегося в наборе с ориентацией Север-Юг (сверху вниз). Другой вывод светодиода присоедините к контакту digital ground (заземление для операций цифрового ввода/вывода). Подобным же образом выполните подключения оставшихся светодиодов.

Ниже приведена полная схема подключений.

В меню запуска инструментов NI ELVIS выберите функцию Digital Writer (Запись в цифровые линии)

Используя вертикальные переключатели, можно выбрать 8-битовый код и вывести его на цифровые линии NI ELVIS. Не забывайте, что бит 0 подается на контакт Write<0> на макетной плате и т.д.

Установите режим работы (Mode) непрерывным (Continuous) и задание кода (Pattern) – в ручном режиме (Manual), как показано на следующем рисунке. Для активации порта нажмите кнопку записи Write.

Если все переключатели (разряды 0–2 и 4–6) находятся в состоянии HI, то все светодиоды загорятся. Если же переключатели будут в состоянии LO, светодиоды погаснут.

Используя данные переключатели, можно определить 8-битные коды, необходимые для управления циклами работы светофоров.

Примечание. Вся работа светофора основана на 60 секундном цикле, в котором 30 секунд горит красный свет, за ним 25 зеленый и затем 5 секунд желтый. Для второй дороги в перекрестке (например, в направлении Север-Юг) желтый свет должен гореть в то время, пока горит красный свет в направлении ВостокЗапад. Это приводит к тому, что необходимо разбивать 30 секундный интервал на два интервала – 25 секундный и следующий за ним 5 секундный. Таким образом, существуют четыре временных интервала (T1, T2, T3 и T4) для управления перекрестком.

Изучите следующую таблицу, чтобы понять управление перекрестком двух дорог.

Для определения необходимого 8-битового кода, который будет записан в цифровой порт и управлять сигналами светофора в каждый из четырех временных интервалов, используйте ИПУ Digital Writer.

Например, в первый временной интервал требуется код [00101000]. Компьютер считывает код в обратном порядке (младший разряд находится справа). После этого код становится {00010100}. В разделе окна NI ELVIS

Digital Bus Writer, содержащем переключатели DO (цифровой выход), вы можете увидеть код в различных системах счисления: двоичной {00010100}, десятичной {20} и шестнадцатеричной {14}. Для изменения системы счисления щелкните кнопкой мыши по белому крестику на сером фоне индикатора. Эту возможность вы можете использовать для определения числовых кодов для других временных интервалов T2, T3 и T4. Теперь, если вы последовательно сгенерируете 8-битные коды для каждого временного интервала, вы сможете вручную управлять светофорами.

Задание 8.4. Автоматическое управление светофорами на перекрестке двух дорог

Закройте NI ELVIS и запустите LabVIEW. Откройте ВП StopLights. На лицевой панели ВП есть только один элемент управления – выключатель, используемый для остановки работы ВП. Переключитесь на блок-диаграмму (Window»Show Block Diagram). Посмотрите на последовательность четырех действий, выполняемых в Цикле по условию For Loop. ВПП с изображением карандаша (NI ELVIS DIO-Write) записывает в цифровые линии 8-битный код для управления светофорами. На вход этого ВПП подается код в виде десятичного числа. Например, для первого временного интервала T1 требуется код 20 (десятичное число). Вам необходимо доделать ВП и перенести четыре 8- битных кода (числовые величины) из вышерассмотренной таблицы, заполнив массив констант с названием Output Pattern (Шаблон выходного кода).

ВПП NI ELVIS DIO –Initialize требует задания номера цифрового порта

(1) и типа операции записи/считывания (Write – запись). Как и все структуры программирования NI ELVIS цифровой канал необходимо закрыть после окончания работы. Эту функцию выполняет ВПП NI ELVIS DIO – Close.

Информация о временных интервалах храниться в четырех элементах массива Time Delay. Для ускорения работы временные интервалы сокращены в 5 раз.