РАЗРАБОТКА УЧЕБНОГО СТЕНДА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОРАДИОЭЛЕМЕНТОВ

Лабораторный практикум – одна из важнейших составляющих обучения на технических специальностях. Только проверяя на практике полученные теоретические знания, студенты могут стать грамотными специалистами. Для проведения лабораторных работ необходимы лабораторные стенды. Они являются специфичным оборудованием и отсутствуют в широкой продаже, что сказывается на их цене. В связи с этим большинство лабораторных стендов разрабатываются и изготавливаются непосредственно на кафедре учебного заведения.

Для проведения лабораторных работ по многим дисциплинам, связанным с получением теоретических и практических знаний основ электроники, схемотехники, радиотехники, технологии проектирования электронных средств и т.д. у направлений подготовки 11.03.01 «Радиотехника», 15.03.06 «Мехатроника и робототехника», 11.03.03 «Конструирование и технология электронных средств» необходимы лабораторные стенды. В рамках данной работы предполагается разработка учебного лабораторного стенда для исследования характеристик пассивных и активных электрорадиоэлементов, а именно: резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности, диодов и транзисторов.

На основании теоретических сведений, изученных в интернете и при помощи технической литературы, была разработана структурная схема, представленная на рисунке 1.

Рисунок 1. Структурная схема устройства

В данной схеме микроконтроллер выполняет управление всеми остальными блоками и осуществляет первичную обработку данных. Инструкции получаются с ПК, на него же отправляются результаты измерений.

Блок формирователей входных сигналов предназначен для подачи сигналов на исследуемый объект. Блок представляет собой набор из источников напряжения, управляемых микроконтроллером.

Блоки коммутации обеспечивают переключение формирователей сигнала и измерителей для исследования каждого объекта.

Блоки для исследования резисторов и диодов представляет собой измерители тока (напряжение задается формирователем), разъем для подключения объекта и позволяют построить вольт-амперную характеристику резистора или диода [1].

Рисунок 2. Блоки для исследования резисторов и диодов

Блок для исследования транзисторов представляет собой два измерителя тока (Iк и Iб) и разъем для подключения объекта. Напряжения Uкэ иUбэ задаются формирователями. Блок позволяет получить семейства входных и выходных ВАХ транзистора, измерить коэффициент усиления.

Рисунок 3. Блок для исследования транзисторов

Нагревательный элемент необходим для исследования поведения объектов при различных температурах.

В разрабатываемом устройстве применяется ЦАП для преобразования цифрового сигнала, который поступает от микроконтроллера, в аналоговый сигнал, для управления ключами.

Прямой цифровой синтез (DDS) — метод, позволяющий получить аналоговый сигнал (обычно это синусоидальный сигнал) за счет генерации временной последовательности цифровых отсчетов и их дальнейшего преобразования в аналоговую форму посредством ЦАП. Так как сигнал сначала синтезируется в цифровой форме, такое устройство может обеспечить быстрое переключение частоты, высокое разрешение по сетке частот, работу в широком диапазоне частот. Благодаря развитию микросхемотехники и технологии на сегодняшний день синтезаторы DDS представляют собой очень компактные микросхемы с низким энергопотреблением [2].

Наиболее подходящей для разрабатываемого устройства, является микросхема AD5611BKSZ, производства Analog Devices.

Помимо ЦАП, для разрабатываемого устройства необходимо подобрать операционный усилитель.

Микросхема серии LM324 является недорогим операционным усилителем, имеющая прямой дифференциальный вход, внутричастотную компенсацию при единичном усилении и защиту от короткого замыкания [3].

В одном корпусе микросхемы расположено четыре независимых друг от друга операционных усилителя. У них имеется ряд неоспоримых преимуществ по сравнению с типовыми операционными усилителями, применяемыми в схемах с однополярным питанием. ОУ LM324 отлично работает в широком диапазоне напряжения питания: от 3 В до 32 В. Микросхема производится в корпусах типа   SOIC и DIP.

Блок микроконтроллер состоит из одного микроконтроллера, который осуществляет управление разрабатываемым устройством.

К микроконтроллеру предъявляются следующие требования:

1. Наличие АЦП разрядностью не менее 10 бит;

2. Максимальный объем ПЗУ;

3. Наличие аппаратного интерфейса SPI;

4. Широкий диапазон напряжений питания.

В результате вышеизложенной информации, была разработана схема электрическая принципиальная.

Рисунок 4. Схема электрическая принципиальная

В качестве источника напряжения используется схема неинвертирующуго усилителя с коэффициентом усиления 4. На вход подается напряжение с ЦАП микроконтроллера (максимум 3В), для контроля тока источника используется микросхема MAX4080 – датчик тока (Рисунок 5).

Рисунок 5. Схема источника напряжения

В качестве источника тока используется схема, приведенная на рисунке 6. Схема представляет собой усилитель напряжения ЦАП микроконтроллера, который управляет схемой источника тока на операционном усилителе.

Рисунок 6. Схема источника напряжения

В разрабатываемом устройстве в качестве усилителя была использована схема неинвертирующего усилителя.

Усилитель имеет два переключаемых коэффициента усиления: 1 и 10 и 100 раз. Переключение между коэффициентами усиления производится микроконтроллером через микросхему HEF4066B, представляющую собой 4 двунаправленных МОП ключа. Сопротивление ключей составляет менее 100Ом и не оказывает значительного влияния на коэффициент усиления.

Для коммутации источников и измерителей используются микросхемы HEF4066B.

Для управления всеми частями схемы предполагается использование микроконтроллера ATmega328. Для связи с персональным компьютером используется интерфейс UART и преобразователь UART –USB выполненный на микросхеме СH340.

Список литературы:

1. Меерсон А.М. Радиоизмерительная техника/ Меерсон А.М. –М.: Энергия, 3-е издание, 1978. –285с, 349 с.
2. Абубакиров Б. А., Измерение параметров радиотехнических цепей / Б. А. Абубакиров; под ред. В. Г. Андрущенко, Б. П. Фатеева. - М.: Радио и связь, 1984. - 247 с.: ил. - Библиогр.: с. 240-245 (111 назв.).
3. Кушнир Ф. В. Электрорадиоизмерения: Учебное пособие для вузов. — Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1983. — 320 с.