Автоматизированный лабораторный практикум с удаленным доступом для исследования электрических цепей

Министерство образования и науки Российской Федерации 
 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
В. И. Вепринцев, А. С. Глинченко  
В. И. Коваленок, В. А. Комаров 
 
 
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ   
ЛАБОРАТОРНЫЙ  ПРАКТИКУМ   
С  УДАЛЕННЫМ  ДОСТУПОМ   
ДЛЯ  ИССЛЕДОВАНИЯ  ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ  ЦЕПЕЙ  
 
 
Допущено УМО вузов РФ по образованию в области радиотехники, 
электроники, биомедицинской техники и автоматизации в качестве учебного пособия для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки 210400 «Радиотехника», 12.05.2011 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2011 

УДК 621. 31:681. 51(07) 
ББК  31.277я73 

В30 

Рецензент 

Е. Б. Соловьев, д-р техн. наук, проф., зав. каф. теоретических ос
нов электротехники СПб ГЭТУ «ЛЭТИ» 

 
Вепринцев, В. И. 
В30 
 
Автоматизированный лабораторный практикум с удаленным 
доступом для исследования электрических цепей: учеб. пособие / 
В. И. Вепринцев, А. С. Глинченко, В. И. Коваленок, В. А. Комаров. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2011. – 188 с. 
ISBN 978-5-7638-2340-0 

 
 
Рассмотрены технология, аппаратно-программное и методическое 
обеспечение автоматизированного лабораторного практикума по экспериментальному исследованию электрических цепей с удаленным многопользовательским доступом к объектам исследования и средствам измерения  
и моделированию их на ПЭВМ с помощью системы автоматизированного 
проектирования Altium Designer 6. 
Практикум включает 13 лабораторных работ по исследованию цепей 
первого и второго порядка, избирательных (резонансных) цепей и различных электрических фильтров. 
Рекомендуется студентам и учащимся технических вузов, колледжей, 
профессиональных училищ и лицеев для использования в лабораторном 
практикуме дисциплины «Основы теории цепей» и родственных с ней дисциплин – теоретических основ электротехники, общей электротехники, общей электротехники и электроники и др. 
 

УДК 621. 31:681. 51(07) 
ББК 31.277я73 
 
 
 
 
 
 
 

ISBN 978-5-7638-2340-0                              © Сибирский федеральный университет, 2011 

ВВЕДЕНИЕ 
 
 
Среди дисциплин, составляющих основу базовой подготовки 
специалистов по разработке и эксплуатации современной радиоэлектронной аппаратуры, важное место отводится курсу «Основы теории 
цепей» (ОТЦ). Содержание его составляют задачи анализа и синтеза 
электрических цепей и изучение установившихся и переходных процессов в них. Наряду с теоретическим обучением, данный курс предполагает и достаточно большой объем экспериментальных исследований. В соответствии с традиционной технологией они реализуются 
по схеме: обучаемый – исследуемый лабораторный макет – комплекс 
используемых измерительных приборов. Очевидно, что техническое 
обеспечение такого лабораторного практикума является очень затратным, как и его обслуживание и модернизация. Альтернативное решение этой проблемы предлагают современные информационные технологии – сетевые и измерительные, реализуемые системой автоматизированного лабораторного практикума с удаленным доступом (АЛП 
УД). Ядром системы АЛП УД является общий для всех обучаемых 
аппаратно-программный комплекс с удаленным многопользовательским сетевым доступом (АПК УД), состоящий из исследуемого автоматизированного лабораторного макета и многофункционального 
ПЭВМ-измерителя.  
Такая система и комплекс разработаны в СФУ для экспериментального исследования линейных электрических цепей, изучаемых  
в дисциплине «Основы теории цепей». Описанию автоматизированного лабораторного практикума с их применением и посвящено данное учебное пособие. Совместно с экспериментальными исследованиями практикум включает также исследования электрических цепей 
путем моделирования их на ПЭВМ с помощью системы автоматизированного проектирования Altium Designer 6 (AD6).  
Целями лабораторного практикума являются проверка и закрепление изучаемых в теоретическом курсе физических процессов в линейных электрических цепях и методов их анализа, практическое освоение методов и средств экспериментального исследования и их моделирования, сопоставление и анализ возможных причин расхождения 
теоретических результатов, результатов физического эксперимента  
и моделирования. 

Введение 

4 

Средствами АПК УД ОТЦ и моделирования на ПЭВМ обеспечиваются лабораторные исследования частотных характеристик линейных электрических цепей и переходных процессов в них при различных видах входных воздействий. 
Практикум включает 13 лабораторных работ по исследованию 
цепей первого и второго порядка, избирательных (резонансных) цепей и различных электрических фильтров. 
Учебное пособие состоит их 3 глав. 
В главе 1 приводятся общие принципы построения и структуры  
системы АЛП УД ОТЦ и аппаратно-программного комплекса АПК 
УД ОТЦ, необходимые для понимания особенностей лабораторных 
исследований, проводимых с их помощью.  
Глава 2 посвящена вопросам исследования электрических цепей 
посредством моделирования на ПЭВМ, выполняемого на основе их 
математических моделей. Моделирование включает анализ переходных процессов, частотный анализ и параметрический анализ электрических цепей.  
В главе 3 содержится методическое обеспечение лабораторных 
работ по исследованию частотных и переходных характеристик электрических цепей. Методическое обеспечение включает организацию 
исследований в системе АЛП УД ОТЦ, краткие теоретические сведения к работе, задания по подготовке и ее выполнению, методику выполнения, требования к содержанию отчета и контрольные вопросы. 
Учебное пособие рекомендуется студентам и учащимся технических вузов, колледжей профессиональных училищ и лицеев для использования в лабораторном практикуме дисциплины «Основы теории цепей» и родственных с ней дисциплин – теоретических основ 
электротехники, общей электротехники, общей электротехники 
и электроники и др. 
Авторы выражают благодарность В. И. Сердюку и Д. В. Худоногову за участие в создании и технической поддержке системы АЛП 
УД «Основы теории цепей».  
 
 
 

Глава 1.  ПРИНЦИПЫ  ПОСТРОЕНИЯ  И  СОСТАВ  СИСТЕМЫ  
АВТОМАТИЗИРОВАННОГО  ЛАБОРАТОРНОГО  
ПРАКТИКУМА  С  УДАЛЕННЫМ  ДОСТУПОМ  
«ОСНОВЫ  ТЕОРИИ  ЦЕПЕЙ» 
 
 
1.1. Состав и структура системы АЛП УД 
 
Ниже даются общие сведения о системе АЛП УД ОТЦ и аппаратно-программном комплексе АПК УД ОТЦ, необходимые для понимания особенностей лабораторных исследований, проводимых с их 
помощью. 
Под системой автоматизированного лабораторного практикума  
с удаленным доступом понимается комплекс технических, программных, телекоммуникационных и методических средств, обеспечивающих автоматизированное проведение лабораторных работ на территориально удаленных от обучаемого физических объектах (лабораторных макетах, стендах, установках) и (или) математических моделях 
[ОСТ 9.2–98]. Наряду с автоматизированными объектами исследования и средствами измерения такие системы содержат также компьютерные средства для связи и взаимодействия с ними удаленных пользователей (субъектов) системы. С помощью компьютерных средств 
обеспечивается и наиболее важная – измерительная функция систем 
АЛП УД. Ее в соответствии с современными компьютерными измерительными технологиями выполняют многофункциональные измерительные приборы и системы, реализуемые на базе персональной ЭВМ 
(ПЭВМ) и аппаратных средств ввода-вывода измерительных сигналов. 
Средства ввода-вывода в ПЭВМ аналоговых и цифровых сигналов,  
в том числе сигналов управления, называются устройствами сбора 
данных (УСД). 
Системы АЛП УД строятся как распределенные многопользовательские клиент-серверные системы, обеспечивающие компьютерный 
сетевой доступ к объектам исследования и средствам измерения системы ограниченного или не ограниченного числа ее пользователей. 
Система может включать в себя как один объект исследования, так  
и иметь несколько, как правило, однородных. Состав и связи технического и программного обеспечения многопользовательской многообъектовой системы АЛП УД соответствуют рис. 1.1. 

Глава 1. Принципы построения и состав системы АЛП УД «Основы теории цепей» 

6 

 
 
Рис. 1.1. Конфигурация технического и программного обеспечения  
многообъектной системы АЛП УД с общим ПЭВМ-измерителем  
 
 
Техническое обеспечение систем АЛП УД в соответствии с его 
размещением разделяют на клиентское и серверное. К клиентской 
части системы на рис. 1.1 относятся ПЭВМ пользователей (субъектов) 
системы – ПЭВМ-клиенты, к серверной – сетевой сервер, измерительный ПЭВМ-сервер, устройство сбора данных и объекты лабораторного исследования. Измерительный ПЭВМ-сервер и УСД образуют ПЭВМ-измеритель, выполняющий функции измерения и управления объектами исследования. Через сетевой сервер, включенный  
в используемую системой компьютерную интранет/интернет сеть, 
осуществляется соединение и обмен данными ПЭВМ-клиентов с объектами исследования и средствами измерения системы. 
Функции системы АЛП УД определяются ее программным 
обеспечением (ПО). ПО системы разделяется на сетевое, измерительное, управляющее и дополнительное.  
Сетевое ПО устанавливается на сетевом сервере и управляет соединением и обменом данными с измерительными ПЭВМ, сопряженными с объектами исследования системы. 
Измерительное и управляющее ПО системы разделяется на серверное и клиентское. Оно распределяется между измерительным 
ПЭВМ-сервером (серверное измерительное и управляющее ПО)  
и ПЭВМ клиента (клиентское измерительное и управляющее ПО). 
Серверная часть управляющего ПО, размещенного на измерительном ПЭВМ-сервере, управляет УСД и конфигурацией объекта 

 
 
 

Клиентское 
ПО 
 
 
 

Сетевое 
ПО 

 
 

Клиентское 

ПО

 
 
 

Измерительное 
и управляющее 
ПО 

....

ПЭВМ- 
клиент 

Канал  
связи 

Компьютерная 
сеть  

ПЭВМ- 
клиент 

УСД  

Сетевой 
сервер 

Измерительный 
ПЭВМ-сервер

Исследуемый 
объект 

Исследуемый 
объект 

Исследуемый 
объект 

.....

.....

Линии 
связи 
с ИО 
АПК УД 

ПЭВМ-измеритель

 
 
1.1. Состав и структура системы АЛП УД 

7 

исследования в соответствии с заданием, поступающим с ПЭВМклиента. Задание на конфигурирование и установку параметров каналов ввода-вывода УСД и объекта исследования формируется управляющим ПО ПЭВМ-клиента с помощью виртуальных лицевых панелей лабораторных стендов. 
Серверная часть измерительного ПО, установленного на измерительном ПЭВМ-сервере, непосредственно управляет процессом измерения и формированием массивов (пакетов) данных – результатов измерения. Измерения осуществляются в соответствии с заданиями, которые 
формируются измерительным ПО клиента с помощью лицевых панелей 
виртуальных измерительных приборов. Измерительное ПО клиента выполняет также прием результатов измерения с ПЭВМ-измерителя, их алгоритмическую обработку, цифровое и графическое представление, курсорные измерения, сохранение, формирование отчета и другие функции. 
Дополнительное ПО систем АЛП УД включает программные 
средства моделирования исследуемых объектов на ЭВМ, интерактивное электронное техническое руководство, электронную техническую 
документацию, электронные обучающие материалы, электронные 
системы тестирования знаний и др. 
Технические средства, объединяющие объект исследования (автоматизированный лабораторный макет) и подсистемы, обеспечивающие автоматизированное дистанционное управление объектом 
(макетом) и экспериментальные исследования его свойств (ПЭВМизмеритель), образуют аппаратно-программный комплекс с удаленным доступом (АПК УД) системы АЛП УД (рис. 1.1). 
Задачам реализации систем АЛП УД наиболее отвечают компьютерные измерительные технологии американской корпорации National Instrument (NI). Они предоставляют как аппаратные, так и программные средства для их разработки. К аппаратным средствам NI 
относятся разнообразные модули сбора данных, встраиваемые  
в ПЭВМ или подключаемые извне, а к программным средствам – среда графического программирования LabVIEW.  
В Сибирском федеральном университете на базе Регионального 
инновационного центра «Центр технологий National Instruments» разработана обобщенная схема построения систем АЛП УД на основе 
технологий NI [Электроника] (рис. 1.2).  
Согласно этой схеме, в среде графического программирования 
LabVIEW реализуются сетевое, измерительное и управляющее ПО 
системы АЛП УД. 

Лабораторные установки, макеты и т. п.  
 
Рис.1.2. Схема построения системы АЛП УД на основе технологии NI 

 
 
1.1. Состав и структура системы АЛП УД 

9 

 
 
Рис. 1.3. Внешний вид платы сбора данных NI PCI-6251 
 
Взаимодействие с платой сбора данных в ПЭВМ-измерителе 
осуществляется при помощи комплекса драйверов DAQmx.  
Удаленное управление АПК в системе АЛП УД реализуется на 
основе технологии сетевого обмена Data Socket. На центральном (сетевом) сервере устанавливается приложение Data Socket server, которое обеспечивает по протоколу Data Socket стека TCP/IP обмен потоками данных при измерениях между ПЭВМ-измерителями и ПЭВМклиентами по сетям Ethernet, IntraNet, Internet. 
С применением технологий NI создана и система АЛП УД ОТЦ. 
Управление лабораторным макетом и процессом измерения в ней 
осуществляется с помощью измерительного ПО, установленного на 
ПЭВМ клиента, через визуальный интерфейс реализованых в LabVIEW виртуальных измерительных приборов и виртуальных стендов.  
В качестве устройства сбора данных в АПК УД ОТЦ используется встраиваемая плата NI PCI6251 (рис. 1.3). 
 
 
1.2. Аппаратно‐программный комплекс АПК УД ОТЦ 
 
1.2.1. Автоматизированный лабораторный макет АЛМ УД ОТЦ 
 
Автоматизированный лабораторный макет (АЛМ) представляет 
собой набор объектных модулей исследуемых электрических цепей  
и интерфейсного модуля, осуществляющего сопряжение объектных 

Глава 1. Принципы построения и состав системы АЛП УД «Основы теории цепей» 

10 

модулей с платой сбора данных и управление ими (рис.1.4,а). АЛМ 
включает 6 объектных модулей, состоящих из трех однотипных 
функциональных субмодулей: «Электрические RLC-цепи», «Колебательные контуры» и «Электрические фильтры». Значения элементов 
в каждом из объектных модулей различаются в небольших пределах 
для обеспечения параметрической многовариантности выполняемых 
исследований. Общий вид 3D-модели конструкции АЛМ приведен на 
рис. 1.4,б и рис.1.5. Исследуемый модуль представляет собой печатную плату (рис.1.6), на которой размещены резисторы, индуктивности, конденсаторы и коммутирующие устройства – ключи, управляемые кнопкой мыши или с клавиатуры компьютера, что позволяет собирать исследуемые цепи различной конфигурации. Параметры элементов коммутации подобраны из условия их минимального влияния 
на характеристики исследуемой цепи. Схема электрическая программно управляемого модуля представляется на лицевой панели автоматизированного лабораторного макета, являющейся частью виртуального лабораторного стенда, который выводится на экран монитора 
при подключении к АПК (рис.1.7). 
 
 

 
 
Рис. 1.4. Структура автоматизированного лабораторного макета (а)  
и общий вид 3D-модели его конструкции (б) 

a                                                                  б