УЧЕБНЫЙ СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАССИВНЫХ И АКТИВНЫХ ФИЛЬТРОВ

Исследование активных и пассивных электронных фильтров является необходимой частью образовательного процесса для инженера электронной техники ввиду их обширного применения в большой номенклатуре устройств (приёмо-передающие устройства, акустические устройства, блоки питания и многие другие).

Проведение лабораторных работ по исследованию характеристик активных и пассивных фильтров позволит оптимизировать учебный процесс и получить необходимые навыки студентам инженерных специальностей. Стенд для проведения лабораторных работ позволит ускорить их проведение, повысить информативность и эффективность учебного процесса за счёт наглядного представления исследуемых объектов и визуализации их характеристик.

Несмотря на то, что в настоящее время получили значительное распространение развитые возможности компьютерного моделирования, существует необходимость исследования реальных, физически реализованных фильтров, так как это значительно повышает информативность учебного процесса и повышает практическую значимость получаемых навыков.

Наиболее важной задачей учебного стенда по исследованию активных и пассивных фильтров является получение их амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик (АЧХ и ФЧХ).

Применяемые на сегодняшний день учебные стенды с возможностью исследования электронных фильтров имеют ряд недостатков. Ключевым из них является избыточная сложность некоторых комплексов [5], из-за чего обучаемый вынужден тратить значительную часть времени лабораторной работы на освоение учебного оборудования и приёмов взаимодействия с ним, а не на исследование. Это связано с тем, что большинство стендов представляют собой либо моноблок с крупной лицевой панелью, либо крупногабаритный основной блок с подключаемыми модулями, неудовлетворительные массогабаритные характеристики которых вызваны их конструктивным исполнением, а также многофункциональностью, выходящей за рамки задачи. Следующим важным недостатком имеющейся аппаратуры учебного назначения является отсутствие возможности взаимодействия с исследуемым объектом, так как он находится в корпусе подключаемого модуля или основного блока стенда, что существенно снижает эффективность учебного процесса из-за потери наглядности, а также лишает возможности изменить объект исследования без вмешательства в конструкцию учебного лабораторного стенда.

Многофункциональность является важной чертой современных электронных устройств. Поэтому целесообразно решение задачи по исследованию активных и пассивных фильтров в рамках части программно-аппаратного измерительного комплекса, решающего более широкий спектр учебных задач, связанных с исследованием частотных характеристик. Исходя из этого, предлагается следующая структура измерительного программно-аппаратного комплекса.

Рисунок 1. Общая структура лабораторного измерительного комплекса

Персональный компьютер (ПК) осуществляет управление остальными компонентами измерительного комплекса, а также сбор и визуализацию данных, получаемых от измерителя АЧХ. Измеритель АЧХ непосредственно собирает данные об отсчётах АЧХ, передаваемые стендом по команде от ПК. Стенд по команде от ПК формирует сигнал заданной амплитуды и частоты на вход исследуемого модуля (фильтра), получает выходной сигнал с данного модуля, передаёт оба сигнала на осциллограф для их дальнейшей ручной обработки (например, снятия АЧХ и ФЧХ осциллографическим методом), определяет амплитуду выходного сигнала и передаёт значение амплитуды на измеритель АЧХ.

Существенным является то, что сменные модули представляют собой отдельный конструктивный блок, с помощью которого осуществляется возможность визуального и тактильного контакта с компонентами исследуемого устройства, а также возможность формирования на него различных воздействий.

Назначение стенда в составе данного измерительного комплекса следующее: приём цифровых управляющих данных от ПК (измерителя АЧХ) о частоте и форме входного сигнала для сменного модуля; генерация сигналов с заданными параметрами для сменного модуля, обеспечение передачи сигналов на измеряемое устройство и осуществление его питания при необходимости; измерение амплитуды выходного сигнала с исследуемого модуля, передача генерируемого сигнала и выходного сигнала с фильтра на внешний осциллограф, измерение значения амплитуды выходного сигнала и передача измерителю АЧХ.

Наиболее распространены два способа снятия АЧХ:

1. Дискретный - характеризуется достаточно высокой точностью измерения при надлежащих характеристиках генератора и измерителя и значительном количестве отсчётов, простотой реализации для автоматизированного снятия АЧХ, незначительным количеством необходимого оборудования, но требует значительных затрат по времени при большом количестве отчётов и допускает возможность пропуска значимого участка АЧХ при большом шаге отсчётов по частоте.

Рисунок 2. Структурная схема дискретного снятия АЧХ

2. Непрерывный (с помощью генератора качающейся частоты) - обеспечивает быстрое построение АЧХ и не требует интерполяции отсчётов, но предполагает применение большого количества устройств, а также предъявляет высокие требования к стабильности амплитуды ГКЧ

Рисунок 3. Структурная схема непрерывного снятия АЧХ

Исходя из вышесказанного, предлагается следующая структура учебного стенда для исследования пассивных и активных фильтров.

Рисунок 4. Структура стенда программно-аппаратного измерительного комплекса

Подобная структура достаточно традиционна и позволяет минимальными затратами достичь приемлемого удобства снятия АЧХ электронных устройств.

Стоит отметить, что использование внешнего осциллографа, громкоговорителя позволяет обеспечить наиболее эффективный процесс обучения, так как данный учебный стенд задействует визуальный, звуковой и тактильный каналы восприятия обучаемого, что способствует увеличению объёма усваиваемой информации.

Список литературы:

1. ГОСТ Р 53626-2009 Информационно-коммуникационные технологии в образовании. Технические средства обучения. Общие положения [Текст]. – Введ. 2009-12-15. – Москва: Стандартинформ, 2010. – 4 с.
2. ГОСТ Р 54816-2011 Информационно-коммуникационные технологии в образовании. Учебная техника. Общие положения [Текст]. – Введ. 2011-12-13. – Москва: Стандартинформ, 2012. – 4 с.
3. ГОСТ Р 57721-2017 Информационно-коммуникационные технологии в образовании. Эксперимент виртуальный. Общие положения [Текст]. – Введ. 2017-09-28. – Москва: Стандартинформ, 2017. – 11 с.
4. Хоровиц, П. Искусство схемотехники [Текст]: пер. с англ.; изд. 2-е / П. Хоровиц, У. Хилл. – Москва: БИНОМ, 2014. – 704 с.
5. Типовой комплект учебного оборудования «Аналоговая электроника», исполнение настольное, ручное АЭ-НР [Электронный ресурс]. – Режим доступа: labstand.ru/catalog/analogovaya_elektronika/tipovoy_komplekt_uchebnogo_oborudovaniya_analogovaya _elektronika_ispolnenie_nastolnoe_ruchnoe_ae_nr
6. Типовой комплект учебного оборудования «Аналоговая электроника», исполнение настольное, компьютерное АЭ-НК (без ПК) [Электронный ресурс]. – Режим доступа: labstand.ru/catalog/analogovaya_elektronika/tipovoy_komplekt_uchebnogo_oborudovaniya_analogovaya _elektronika_ispolnenie_nastolnoe_kompyuternoe_a