labview - modelare si achizitie de semnal

19
Investeşte în oameni! Proiect cofinanţat din Fondul Social European prin Programul Operaţional Sectorial pentru Dezvoltarea Resurselor Umane 2007 2013 Axa prioritară: 1 - Educaţia şi formarea profesională în sprijinul creşterii economice şi dezvoltării societăţii bazate pe cunoaştere Domeniul major de intervenţie: 1.3 - Dezvoltarea resurselor umane din educaţie şi formare Titlul proiectului: FLEXFORM - Program de formare profesională flexibilă pe platforme mecatronice Contract POSDRU/87/1.3/S/64069 Beneficiar: Universitatea Politehnica din București LUCRARE de EVALUARE FINALĂ UNIVERSITATEA POLITEHNICA BUCUREȘTI Program de formare continuă: Mecatronica I (Platforme mecatronice pentru educatie si formare flexibila) Titlul lucrării: Modelare și achiziție de semnal cu LabVIEW pentru lecții de fizică Cursant: profesor EMILIA PĂUȘAN Data sustinerii publice: februarie, 2013 „Această lucrare a beneficiat de suport financiar prin proiectul FLEXFORM - Program de formare profesională flexibilă pe platforme mecatronice, contract nr. POSDRU/87/1.3/S/64069, proiect cofinanțat din Fondul Social European prin Programul Operațional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007-2013”.

Upload: emilia-pausan

Post on 08-Aug-2015

381 views

Category:

Documents


9 download

DESCRIPTION

Material elaborat in cadrul proiectului FlexForm (lucrare elaborata pentru evaluarea finala, Modul 2).

TRANSCRIPT

Page 1: LabVIEW - Modelare si achizitie de semnal

Investeşte în oameni!

Proiect cofinanţat din Fondul Social European prin Programul Operaţional Sectorial pentru Dezvoltarea Resurselor Umane 2007 – 2013 Axa prioritară: 1 - Educaţia şi formarea profesională în sprijinul creşterii economice şi dezvoltării societăţii bazate pe cunoaştere Domeniul major de intervenţie: 1.3 - Dezvoltarea resurselor umane din educaţie şi formare Titlul proiectului: FLEXFORM - Program de formare profesională flexibilă pe platforme mecatronice Contract POSDRU/87/1.3/S/64069 Beneficiar: Universitatea Politehnica din București

LUCRARE de EVALUARE FINALĂ

UNIVERSITATEA POLITEHNICA BUCUREȘTI Program de formare continuă: Mecatronica I (Platforme mecatronice pentru educatie si formare flexibila) Titlul lucrării: Modelare și achiziție de semnal cu LabVIEW pentru lecții de fizică Cursant: profesor EMILIA PĂUȘAN Data sustinerii publice: februarie, 2013 „Această lucrare a beneficiat de suport financiar prin proiectul FLEXFORM - Program de formare profesională flexibilă pe platforme mecatronice, contract nr. POSDRU/87/1.3/S/64069, proiect cofinanțat din Fondul Social European prin Programul Operațional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007-2013”.

Page 2: LabVIEW - Modelare si achizitie de semnal

Investeşte în oameni!

Lucrare de evaluare finală, M2 (prof. Emilia Păușan) pag. 2 / 19

CUPRINS

1. Introducere ........................................................................................................................................... 3

2. Simulări LabVIEW pentru lecții de fizică ............................................................................................ 4

2.1. Circuit mixt de curent alternativ .................................................................................................... 4

2.2. Oscilator liniar ............................................................................................................................... 7

2.3. Dispozitiv Young .......................................................................................................................... 9

3. Experimente reale cu achiziție de semnal .......................................................................................... 11

3.1 Sisteme computerizate de măsurare echipate cu plăci de achiziție .............................................. 11

3.2 Instrumentaţie virtuală .................................................................................................................. 11

3.3. Proiectarea unui experiment real cu achiziție de semnal ............................................................ 12

3.3.1. Caracteristica rezistorului ..................................................................................................... 12

3.3.2. Caracteristica statică a diodei semiconductoare polarizată direct ......................................... 16

4. Concluzii ............................................................................................................................................ 18

5. Bibliografie ......................................................................................................................................... 19

Page 3: LabVIEW - Modelare si achizitie de semnal

Investeşte în oameni!

Instrumentație virtuală LabVIEW pag. 3 / 19

1. Introducere

În studiul fizicii definim diferite modele, ceea ce recomandă utilizarea softurilor de simulare pentru

evidenţierea proprietăţilor sistemului modelat, putând fi oferite în cadrul acestor aplicații și facilități

pentru verificarea sau chiar descoperirea unor teoreme.

Un avantaj important al utilizării softurilor de simulare constă în posibilitatea de a vizualiza modul

de comportare al unui model în condiţii impuse de utilizator, precum și de posibilitatea de a genera

secvențe multiple de învățare. În timp scurt pot fi evidenţiate mai multe situaţii particulare ce pun

probleme distincte, analizarea acestora fiind importantă pentru studiul evoluţiei sistemului modelat.

Identificarea limitelor unui model, a condiţiilor în care acestea descriu optim anumite sisteme fizice,

identificarea de noi proprietăţi ce pot fi incluse în definirea unor modele de rang superior, toate

acestea pot fi realizate prin utilizarea unor aplicații ce propun experimente virtuale de laborator.

Este recomandat ca o secvență didactică în care se apelează la experiment virtual să fie urmată,

atunci când este posibil, de confruntarea modelelor cu sistemele reale, prin efectuarea

experimentelor reale, de laborator.

Experimentul de laborator, real sau virtual, reprezintă secvenţa didactică cea mai importantă a unei

lecţii de fizică. Componentele deteriorate din trusele clasice de laborator pot fi astăzi înlocuite prin

instrumente virtuale, unele dintre acestea fiind create cu LabVIEW. În interfaţa instrumentelor

virtuale sunt incluse controale şi indicatoare realizate într-o formă grafică asemănătoare aparatelor

şi dispozitivelor reale, utilizatorii unui program LabVIEW manevrând instrumentele virtuale ca şi

cum ar manevra instrumente reale.

Propunerea pentru utilizarea instrumentaţiei virtuale în liceu porneşte nu numai din necesitatea de a

înlocui anumite componente deteriorate din trusa clasică de laborator. Un avantaj important al

instrumentelor virtuale constă şi în faptul că acestea pot fi uşor transformate prin programare. Dacă

ai nevoie de un instrument mai complex decât cel de care dispui la un moment dat, folosind

programul LabVIEW poţi să-l construieşti cu relativă uşurinţă şi fără probleme financiare. Iar acest

lucru recomandă utilizarea programului LabVIEW şi în educaţie.

Prin eforturile Companiei National Instruments şi cu sprijinul Ministerului Educaţiei şi Cercetării,

liceele din România dispun astăzi de licenţa programului LabVIEW. Mai mult, au fost oferite şi

plăci de achiziţie de date, în câteva licee (printre care şi liceul în care îmi desfăşor activitatea), iar

de curând accesul la astfel de componente a fost lărgit.

În cadrul acestei lucrări sunt prezentate câteva softuri de simulare pe care le-am realizat pentru

diferite capitole prevăzute în programa de fizică, precum şi experimente de laborator în care datele

experimentale au fost achiziţionate şi prelucrate computerizat.

Page 4: LabVIEW - Modelare si achizitie de semnal

Investeşte în oameni!

Lucrare de evaluare finală, M2 (prof. Emilia Păușan) pag. 4 / 19

2. Simulări LabVIEW pentru lecții de fizică

Voi exemplifica în continuare cu câteva simulări realizate în LabVIEW, pentru unele dintre acestea

detaliind și cu privire la aspectele legate de realizarea interfeței utilizator, respectiv la cele legate de

diagrama aplicației.

2.1. Circuit mixt de curent alternativ

Descrierea problemei

Este propu studiul unui circuit paralel de curent alternativ cu două ramuri:

o ramură a circuitului conține o bobină (pentru care utilizatorul poate alege valorile

inductanței și rezistenței electrice);

pe cea de a doua ramură există un condensator electric, de capacitate C (valoare ce poate fi

modificată printr-un control de tip numeric, ca și în cazul caracteristicilor bobinei).

Principala sarcină de lucru (propusă pentru autoevaluare) în cadrul acestei aplicații constă în

determinarea valorii capacității electrice a condensatorului pentru care circuitul se comportă

echivalent unui rezistor. Altfel spus, este propusă o problemă clasică, pentru care utilizatorii pot

genera mai multe cazuri particulare prin modificarea valorii parametrilor circuitului.

Interfața utilizator

Aplicația permite generarea a trei secvențe importante:

secvența principală (afișată implicit) prezintă circuitul virtual, problema propusă și imagini

din laboratorul real – figura 1;

Figura 1 – Secvența prinicipală, afișată la

deschiderea aplicației “Circuit mixt de c.a.”

Figura 2 – Secvența Ajutor a aplicației “Circuit

mixt de c.a.”

secvența Ajutor (figura 2), afișată prin acționarea controlului cu același nume, prezită

utilizatorului informații calitative privind funcționarea circuitului: sunt redate aici

reprezentări grafice u(t), i(t) – variațiile în timp ale tensiunii de la bornele circuitului și ale

intensității curentului electric din ramura principală a aplicației, dar și diagrama fazorială

Page 5: LabVIEW - Modelare si achizitie de semnal

Investeşte în oameni!

Instrumentație virtuală LabVIEW pag. 5 / 19

pentru care s-a ales ca origine a fazelor faza tensiunii (I1 este fazorul ce corespunde

intensității curentului electric prin bobină, I2 este fazorul ce corespunde intensității

curentului electric din ramura în care se găsește condensatorul, iar I este fazorul ce

corespunde intensității curentului electric din ramura principală a circuitului);

cea de a treia secvență a aplicației oferă acces, printr-o parolă, la soluțiile problemei

propuse, utilizatorii obținând informații detaliate privind valori ale impedanței fiecărei

ramuri, defazaj curent-tensiune pentru fiecare ramură și pentru întregul circuit, valorile

efective ale intensității curentului electric din fiecare ramură, caracteristici ale circuitului

echivalent, valoarea capacității curentului electric pentru care circuitul se comportă

echivalent unui rezistor (acest mod de funcționare oferă flexibilitate în utilizarea aplicației la

clasă, putând fi utilizată pentru evaluare/autoevaluare).

Figura 3 – Accesarea soluțiilor problemei propuse (aplicația “Circuit mixt de c.a.”)

Aspecte legate de proiectarea aplicației

Pentru a realiza interfața utilizator am utilizat diferite tipuri de controale și indicatoare:

controale de tip numeric (utilizate pentru introducerea frecvenței curentului alternativ,

valorii efective a tensiunii aplicate circuitului, valorilor parametrilor de circuit - unele dintre

aceste controale au aspect particularizat, design-ul fiind realizat de autor);

indicatoare numerice (aici sunt afișate valori calculate de aplicație);

indicatoare grafice (utilizate pentru prezentarea dependenței de timp a tensiunii și intensității

curentului electric din ramura principală a cicuitului, respectiv pentru prezentarea diagramei

fazoriale);

controale de tip string (un astfel de control este utilizat pentru completarea parolei prin care

se obține accesul la soluțiile problemei propuse);

indicatoare de tip string (utilizate pentru afișarea unor informații, precum cele legate de

comportarea circuitului pentru anumite valori ale parametrilor circuitului);

controale de tip boolean (utilizate pentru a comanda rularea aplicației, respectiv pentru a

comanda deschiderea/închiderea anumitor secvențe ale aplicației – secvențele Ajutor,

Solutiile problemei).

Page 6: LabVIEW - Modelare si achizitie de semnal

Investeşte în oameni!

Lucrare de evaluare finală, M2 (prof. Emilia Păușan) pag. 6 / 19

În ceea ce privește codul (diagrama) aplicației, este important

de precizat faptul că, atunci când o aplicație are o diagramă mai

complexă, de dimensiune mai mare, se apelează la proiectare

ierarhivă, existând și avantajul reutilizării unor sub-VI-uri.

În cadrul acestei aplicații, pentru a reda diagrama fazorială, am

decis crearea a două subVI-uri:

vector1.vi” ,

“adunare_vectori.vi”

așa cum este readat și în ierarhia aplicației (fig. 4).

Fig. 4 – Stuctura ierarhică a

aplicației “Circuit mixt de c.a.”

Diagrama aplicației

Figura 5 – Diagrama aplicației “Circuit mixt de c.a.”

Elemente de proiectare utilizate:

nod de formule (structură utilizată pentru calcularea datelor de ieșire);

structură de tip For Loop (utilizată pentru acumularea punctelor necesare reprezentărilor

grafice u(t), i(t) – pentru tunelele de ieșire se menține autoindexarea, ceea ce permite

obținerea tablourilor necesare reprezentărilor grafice);

structură de tip While Loop (utilizată pentru a obține rularea continuă a aplicației până la

primirea valorii logice ce comandă oprirea funcționării – această valoare este transmisă

terminalului structurii la actionarea unui control din interfața utilizator, plasat imediat lângă

titlul aplicației);

structuri de tip Case (utilizate pentru a comanda funcționarea condiționată a unor secvențe

ale aplicației).

Page 7: LabVIEW - Modelare si achizitie de semnal

Investeşte în oameni!

Instrumentație virtuală LabVIEW pag. 7 / 19

În figura 6 este prezentat subVI-ul “adunare_vectori.vi”, putându-se remarca în diagrama acestuia

apelarea subVI-ului “vector1.vi”.

a) interfața aplicației adunare_vectori.vi

b) diagrama subVI-lui

Figura 6 – SubVI-ul “adunare_vectori.vi”

Programarea ierarhica reprezintă unul dintre marile avantaje oferite de mediul de programare

LabVIEW. Apelând la o astfel de soluție poți crea subVI-uri ce pot fi integrate în mai multe

aplicații. Dezvoltarea de noi aplicații se realizează mai ușor, având posibilitatea de a testa

funcționarea fiecărei fiecărui subVI înainte de includerea într-o aplicație mai complexă.

2.2. Oscilator liniar

Simularea comportării unui sistem permite studiu pe model, urmat de confruntarea modelului cu

sistemul real. În mod clasic, descriem comportarea sistemelor fizice prin tabele de valori, prin

formule matematice şi/ sau prin reprezentări grafice. Nu întotdeauna şi nu pentru orice elev

efectuarea şi interpretarea calculelor matematice, respectiv a reprezentărilor grafice, este uşor de

realizat. El are nevoie de timp pentru a se acomoda cu acestea, iar ritmul fiecărui elev nu este

acelaşi. Acest aspect a constituit un reper important pentru proiectarea diferitelor aplicaţii,

prezentându-vă în continuare un alt soft, “Oscilatorul liniar” (figura 7).

Am proiectat această aplicație pentru a permite

elevului vizualizarea comportării modelului, fiindu-i

prezentate şi dependenţele de timp a diferitelor

mărimi ce descriu oscilaţia.

Reprezentările grafice sunt construite simultan cu

evoluţia sistemului, echivalent cu obținerea pe hârtie

a unei seismograme, ceea ce permite ca semnificaţia

acelor reprezentări să poată fi mai uşor înţeleasă. Figura 7. Secvență din interfața aplicaţiei

“Oscilatorul liniar”

Page 8: LabVIEW - Modelare si achizitie de semnal

Investeşte în oameni!

Lucrare de evaluare finală, M2 (prof. Emilia Păușan) pag. 8 / 19

Interfața acestei aplicații este structurată în mai multe

secțiuni:

“Considerații teoretice” (sunt actualizate aici

utilizatorului noțiunile teoretice ale teme

propuse);

“Utilizarea aplicației” (sunt prezentate aspecte

legate de utilizarea aplicației);

“Laborator real” (este descris un experiemnt

real cu achiziție de semnal ce permite

determinarea constantei elastice a unui resort

prin metoda oscilației).

Figura 8. Secțiunea “Considerații

teoretice” a aplicaţiei “Oscilatorul liniar”

Pentru diferitele cazuri particulare generate, aplicația

calculează și afișează în interafața utilizator valori ale

unor mărimi ce descriu oscilația.

Totodată, sunt evidențiate limitele modelului

oscilatorului liniar armonic și corecțiile aduse de un

model de rang superior prin care este descrisă oscilația

liniară slab amortizată. Figura 9. Caracteristici ale mișcării

calculate de aplicație (“Oscilatorul liniar”)

Diagrama aplicației apelează atât la elemente de programare simple precum funcții matematice,

funcții de tip Array, structuri - Case, While, Formula nod, etc., dar și la elemente de programare de

nivel superior.

Figura 10. Diagrama aplicației “Oscilatorul liniar”

Page 9: LabVIEW - Modelare si achizitie de semnal

Investeşte în oameni!

Instrumentație virtuală LabVIEW pag. 9 / 19

2.3. Dispozitiv Young

Pe parcursul mai multor ani, am proiectat diferite simulări care permit efectuarea de experimente

virtuale pentru care, ca şi în cazul experimentelor reale, este necesară respectarea unei proceduri,

cunoașterea principiului metodei, a modului de lucru, datele experimentale trebuie înregistrate şi

prelucrate.Voi exemplifica acest lucru prin aplicația “Dispozitivul Young” pe care o utilizez la clasă

înainte de efectuarea experimentului real, de laborator.

Problema propusă: determinarea lungimii de unda a unei radiații din domeniul vizibil.

Structura aplicației:

- prima secţiune conţine informaţii generale despre aplicaţie;

- cea de a doua secţiune prezintă utilizatorului montajul experimental, precum şi toate elementele

necesare efectuării experimentului propus (sunt puse la dispoziţia utilizatorului şi controale/

indicatoare ce permit evaluarea formulelor de calcul);

- ultima secţiune a aplicaţiei prezintă soluţia problemei propuse (poate fi accesată prin parolă).

Mai jos este prezentată secțiunea principală a aplicației în care se utilizatorul poate colecta și

înregistra date experimentale, acestea fiind afișate tabelar. Datele obținute pot fi apoi exportate

într-un fișier Excel, respectiv pot fi incluse într-un referat de laborator.

Figura 11. Interfața aplicației “Dispozitivul Young”

Instrumente virtuale:

- dispozitiv Young;

- o rigletă, plasată în câmpul unei lunete ce permite vizualizarea sistemului de franje.

Variabilele aplicatiei /date de intrare:

- distanța de la paravanul cu fante până la ecran (notată cu D);

- distanța dintre fante (notată cu a);

Control ce deschide

sectiunea „Problema

propusa”

Indicator de tip

picture utilizat

pentru modelarea

dispozitivului

experimental

Controale prin care

este comandata

inreistrarea tabelara

a datelor si

salvarea acestora in

fisier

Controale pentru

variabilele aplicatiei

Control prin care este activata sectiunea in care sunt

afisate solutiile corecte

Controale in care

sunt introduse

rezultatele pentru

fiecare secventa

experimentala

Tabelul datelor experimentale

Indicator grafic

in care sunt

prezentate

franjele obtinute

experimental

Page 10: LabVIEW - Modelare si achizitie de semnal

Investeşte în oameni!

Lucrare de evaluare finală, M2 (prof. Emilia Păușan) pag. 10 / 19

- valoarea lungimii de undă a radiației (este utilizat un control pentru fixarea / modificarea

lungimii de unda, fără afișarea aceastei valori, ce trebuie determinată experimental).

Observație: culoarea franjelor se modifică corespunzator valorii lungimii de undă.

Etape de lucru:

[1] determinarea valoarii interfranjei (i):

- se măsoară distanța dintre două franje (cea aflata pe axul de simetrie și o altă franjă, la

distanță cât mai mare de aceasta, plasată optim pentru măsurarea pe rigletă) - x;

- se calculeaza valoarea interfranjei prin raportul x/N, unde N reprezinta numărul de franje

distribuite pe ecran pe distanta x;

[2] înregistrarea datelor experimentale în tabelul aplicatiei;

[3] salvarea datelor înregistrate într-un fișier Excel (elevii utilizează facilitățile acestui program

pentru prelucrarea datelor, realizând și studiul erorilor)

m = valoarea medie obținută pentru lungimea de undă prin efectuarea experimentului virtual;

0 = valoarea corectă (afișată în secțiunea în care este prezentată soluția problemei propuse).

Modul de utilizare al aplicației este prezentat elevilor și în sistem eLearning, fiind postat pe un site

wiki un clip în care sunt redați pașii de lucru. Pe acest site elevii pot descărca aplicația, lucrând cu

aceasta și în afara orelor de curs.

Am adăugat acestui soft și posibilitatea de generare a unui raport în format html care să includă

datele experimentale înregistrate, dar şi o imagine a interfeţei utilizator, din momentul generării

raportului. Această facilitate mi-a fost de folos pentru evaluarea activității elevilor, stabilirea calității

experimentului virtual realizat de aceștia, corectitudinea prelucrării datelor.

Figura 12. Referate de laborator ale elevilor, generate cu aplicația “Dispozitivul Young”

Page 11: LabVIEW - Modelare si achizitie de semnal

Investeşte în oameni!

Instrumentație virtuală LabVIEW pag. 11 / 19

3. Experimente reale cu achiziție de semnal

3.1 Sisteme computerizate de măsurare echipate cu plăci de achiziție

Sistemele computerizate de măsurare utilizate pentru semnale analogice se caracterizează prin

faptul că un astfel de semnal, purtător de informaţie, este convertit în formă digitală. O schemă a

unui astfel de sistem este prezentată mai jos:

Fig. 13: Structura unui sistem de măsurare computerizat cu plăci de achiziţie de date

Conversia semnalului purtător de

informaţie este efectuată de către o

componentă electronică distinctă, numită

placă de achiziţie, ce poate fi montată în

calculator sau conectată la o intrare USB.

Placă de achitiţie NI DAQ

PCI 6052E

Placă de achitiţie NI DAQ USB

6008

Figura 14: Plăci de achiziţie National Instruments

3.2 Instrumentaţie virtuală

Un instrument virtual este compus dintr-o parte hardware şi o parte software care permite

configurarea instrumentului după dorinţa utilizatorului. În interfaţa acestor programe sunt incluse

controale şi indicatoare realizate într-o formă grafică asemănătoare aparatelor şi dispozitivelor

reale, utilizatorii manevrând instrumentele virtuale ca şi cum ar manevra instrumente reale.

Reprezentarea instrumentelor fizice se face pe monitorul computerului cu ajutorul elementelor

grafice existente in biblioteca limbajului de programare grafica.

Utilizarea instrumentaţiei virtuale prezintă avantaje importante:

- nu necesită spaţiu fizic de depozitare;

- datele pot fi transmite prin internet;

- pot fi realizate măsurări în locuri periculoase pentru om, nefiind necesară prezenta

acestuia în imediata vecinătate a sistemului de măsurare;

- există flexibilitate de configurare a instrumentelor virtuale (acestea pot fi uşor

transformate prin programare);

- sunt reduse semnificativ costurile (o singură placă multifuncţională de achiziţie,

împreună cu softul aferent, poate înlocui un număr mare de instrumente fizice

dedicate).

Page 12: LabVIEW - Modelare si achizitie de semnal

Investeşte în oameni!

Lucrare de evaluare finală, M2 (prof. Emilia Păușan) pag. 12 / 19

Sunt prezentate în continuare două experimente de fizică cu achiziție de semnal, realizate pentru

elevii claselor de liceu, folosind sisteme echipat cu placi de achiziţie de tip NI DAQ USB 6008,

Aceste investigații de au vizat probleme clasice de laborator, metoda de investigare fiind adaptată

noilor sisteme de măsurare. Pentru realizarea acestor activităţi am apelat şi la componente ale

truselor clasice de laborator, valorificate astfel superior.

Pe pagina wiki prezentată mai jos am postat mai multe secvențe video în care sunt redate astfel de

investigații experimentale cu achiziție de semnal, experimente în care am apelat la instrumentație

virtuală LabVIEW.

Figura 15: http://emiliapausan.wikispaces.com/DAQ_Achizitie+de+semnal

3.3. Proiectarea unui experiment real cu achiziție de semnal

Voi exemplifica cu un astfel de experiment, ce apelează la instrumentație virtuală LabVIEW,

experiment realizat pentru determinarea rezistenței electrice a unui rezistor și trasarea caracteristicii

acestuia.

3.3.1. Caracteristica rezistorului

Componentele montajului experimental:

două rezistoare: unul etalon, cu rezistenţa electrică cunoscută, şi un altul, a cărei rezistenţă

electrică va fi determinată experimental;

sursă de tensiune reglabilă (montaj potenţiometric), ghidaje de câmp, întrerupător;

placă de achiziție de date de tip NI DAQ 6008.

Principiul metodei şi modul de lucru

Se măsoară tensiunea electrică la bornele celor două rezistoare conectate în serie, pentru unul dintre

aceştia fiind cunoscută valoarea rezistenţei electrice (notată cu R1). Cele două semnale sunt

achiziţionate pe canale diferite, pentru fiecare fiind utilizat modul de configurare diferenţial.

Valoarea rezistenţei electrice Rx se determină folosind următorul algoritm:

se aplică legea lui Ohm pentru porţiunea de circuit ce conţine rezistorul etalon:

U1 = IR1 >> I = 1

1

R

U

Page 13: LabVIEW - Modelare si achizitie de semnal

Investeşte în oameni!

Instrumentație virtuală LabVIEW pag. 13 / 19

se aplică legea lui Ohm pentru porţiunea de circuit ce conţine rezistorul de rezistenţă Rx:

U2 = IRx = 1

1

R

URx >> Rx = 1

1

2 RU

U

Elemente de interfaţă

Figura 16: Interfața aplicației și circuitul electric utilizat

Cele mai importante elemente de interfață ale instrumentului virtual sunt:

un control numeric, necesar pentru introducerea valorii rezistenţei rezistorului etalon, R1;

indicatoare numerice, prin care sunt afişate valorile curente ale tensiunilor electrice la bornele

celor două rezistoare, respectiv valoarea intensităţii curentului electric din circuit;

un indicator grafic (de tip XY), utilizat pentru reprezentarea dependenţei dintre intensitatea

curentului electric şi tensiunea electrică măsurată la bornele rezistorului a cărei rezistenţă

electrică dorim să o determinăm (instrumentul virtual prezintă caracteristica rezistorului cu

rezistenţa Rx, fiecare valoare achiziționată fiind adăugată în grafic).

Proiectarea instrumentului virtual – Achiziţie pe canale de tip Analog Input

Pentru a comanda achiziţia de date folosind o

placă de tip NI USB 6008, am utilizat proceduri

din categoria DAQmx – Data Acquisition. >>

Figura 17: Proceduri DAQmx – Data Acquisition Realizarea diagramei instrumentului virtual

Figura 18: Diagrama instrumentului virtual

Page 14: LabVIEW - Modelare si achizitie de semnal

Investeşte în oameni!

Lucrare de evaluare finală, M2 (prof. Emilia Păușan) pag. 14 / 19

Pasul 1 - Constă în definirea a două canale virtuale prin care instrumentul virtual realizează

comunicarea cu canale fizice de tip Analog Input, configurate în modul diferenţial.

În modul diferenţial, un sistem de măsurare răspunde practic la diferenţa de potenţial dintre cele două

intrări ale sale (+) şi (-).

Intrările canalului AI0 sunt prezentate în imaginea de mai jos:

Pentru a crea canale virtuale am utiliza DAQmx Create Virtual Channel.vi (din paleta DAQmx –

Data Acquisition).

Pasul 2 – Sunt conectate ieşirile VI-lui DAQmx Create Virtual Channel la intrările VI-lui DAQmx

Read, prin care se realizează citirea datelor de pe canalele fizice selectate.

Observaţie

Implicit, DAQmx Read este setat pentru a citi date pe un singur canal. De aceea, utilizând selectorul

polimorfic al VI-lui DAQmx Read, se va impune citirea simultană a datelor pe două canale

(obținând la ieșire un tablou unidimensional cu date reprezentate în dublă precizie - tensiunile

electrice citite pe canale de tip analog, AI0 şi AI1).

Pasul 3 – Constă în extragerea valoarii citite pe canalul 0 şi transferarea acesteia terminalului

indicatorului numeric etichetat U1 (V); se procedează apoi la extragerea valorii citite pe canalul 1,

transferând valoarea către terminalul indicatorului digital etichetat U2 (V).

Pentru a extrage o valoare din tabloul unidimensional obţinut la ieşirea VI-lui DAQmx Read se

utilizează funcţia Index Array. Pentru indexul 0 se obţine prima valoare a tabloului (tensiunea citită

pe canalul AI0), iar pentru indexul 1 se obţine a doua valoare a tabloului (tensiunea citită pe canalul

AI1).

Pasul 4 - Completarea codului diagramei pentru determinarea tensiunii la bornele întregului circuit,

valoare ce va fi afişată de indicatorul etichetat U (V).

Figura 19: Intrări pentru canalului 0, configurare

diferenţială:pini AI0 şi AI4

Page 15: LabVIEW - Modelare si achizitie de semnal

Investeşte în oameni!

Instrumentație virtuală LabVIEW pag. 15 / 19

Pentru aceasta vor fi însumate cele două valori U1 şi

U2, rezultatul fiind transferat, în fluxul datelor,

terminalului indicatorului etichetat U(V).

Pasul 5 - Constă în completarea codului necesar determinării intensităţii curentului electric şi

realizarea fluxului pentru transferarea acestei valori terminalului indicatorului etichetat I(A) şi

terminalului ampermetrului virtual (indicator de tip Meter) .

Pentru obţinerea valorii intensităţii curentului electric

se utilizează funcţia de tip Divide care va primi la cele

două intrări valorile U1, respectiv R1 (la ieșitre este

calculat I = U/R1). Intensitatea curentului electric prin

cele două rezistoare are aceeaşi valoare (conexiune

serie).

Pasul 6 - Constă în realizarea secvenţei de cod ce permite reprezentarea grafică a dependenţei

I(U2), unde U2 este tensiunea măsurată la bornele rezistorului cu rezistenţa Rx.

Instrumentul virtual va funcţiona astfel:

a. sunt citite valori de la momentul 0 al rulării aplicaţiei până la momentul indicat de utilizator

(la interval de 1 secundă);

b. valori I şi U2 sunt acumulate într-un tablou bidimensional, fiind transferate unei diagrame de

tip XY în care este redată dependența I(U2).

Acumularea valorilor necesare trasării caracteristicii presupune execuţia repetată a citirii datelor pe

cele două canale, fiind necesară utilizarea unei structuri de tip While Loop (realizează repetarea

execuţiei blocului din interior până când se transferă o anumită valoare logică la terminalul

condiţional al structurii - atunci când utilizatorul va “apăsa” butonul etichetat “stop”).

Pentru formarea tablourilor de date, U2 şi I, se utilizează regiştri de transfer şi funcţii de tip Array

(Build Array).

La terminalele de intrare ale funcţiei Buid Array sunt

transferate valori scalare și/sausau tablouri de date, iar la

ieşire se obţine tabloul obţinut cu datele de intrare.

Datele primite la primul terminal de intrare (plasate cel

mai sus) sunt plasate primele în tabloul final.

Regiştrii de transfer sunt perechi de terminale: terminalul de intrare este plasat pe graniţa din stânga

a structurii While Loop, iar cel de al doilea este plasat pe graniţa din dreapta a structurii,

reprezentând un terminal de ieşire. Pentru a adăuga regiştri de transfer unei structuri While este

utilizează comanda Add Shift Register din meniul obiect al structurii.

Regiştrii de transfer determină următoarea funcţionare: valoarea

transferată de terminalul de intrare este utilizată la execuţia

codului din interiorul structurii, apoi noua valoare, obţinută după

execuţie la terminalul de ieşire, este transferată terminalului de

intrare.

Regiştri de

transfer

Page 16: LabVIEW - Modelare si achizitie de semnal

Investeşte în oameni!

Lucrare de evaluare finală, M2 (prof. Emilia Păușan) pag. 16 / 19

O bună funcţionare presupune iniţializarea regiştrilor de transfer (în afara structurii) cu date de

acelaşi tip ca cele obţinute la terminalul de ieşire (date de tip tablou).

Pasul 7 – Realizarea secvenței de cod ce permite salvarea datelor într-un fişier Excel.

Pentru scrierea datelor într-o foaie de calcul tabelar am utilizat proceduri din categoria File I/O,

fiind necesară:

construirea un tablou 2D care conţine valori achiziționate: valorile intensităţii curentului

electric şi valorile tensiunii de la bornele rezistorului cu rezistenţa electrică Rx;

construirea valorii text a etichetelor utilizate pentru antetul tabelului datelor (se apelează la

concatenarea unor constante de tip string).

Pentru salvarea datelor în fişier, comandată

de utilizator prin acţionarea unui control de

tip logic, se transferă o valoare logică

terminalului condiţional al unei structurii

Case; cazul True (rulat la acţionarea

controlului) conţine funcţiile de scriere a

datelor în fişier – VI-ul Write To

Spreadsheet File.vi şi a etichetelor acestora

– VI-ul Write Characters To File.vi.

Figura 20: Secvență de cod realizată pentru a permite

salvarea datelor achiziționate într-un fișier Excel

3.3.2. Caracteristica statică a diodei semiconductoare polarizată direct

Componente ale montajului experimental:

­ rezistor cu rezistenţa electrică cunoscută;

­ diode semiconductoare;

­ sursă de tensiune reglabilă (montaj potenţiometric);

­ fire conductoare;

­ placă de achiziţie NI DAQ 6008;

­ calculator.

Principiul metodei şi modul de lucru

Atunci când dioda semiconductoare este polarizată direct, rezistenţa electrică a acesteia este foarte

mică, spre deosebire de cazul polarizării inverse. Această proprietate a diodei este evidenţiată prin

caracteristica statică: i = i(u), descrisă de ecuaţia:

i= Is

1

u

uexp

T

D

unde :

Is este intensitatea curentul electric de saturaţie, uD este tensiunea măsurată la bornele diodei

(polarizată direct),

uT este un parametru a cărei valoare depinde de temperatură;

Page 17: LabVIEW - Modelare si achizitie de semnal

Investeşte în oameni!

Instrumentație virtuală LabVIEW pag. 17 / 19

e

KTuT (K = constanta Boltzmann, T= temperatura absolută, e = sarcina electrică elementară).

Pentru trasarea caracteristicii acestui element neliniar de circuit am realizat un circuit serie rezistor -

diodă.

Am măsurat pe un canal tensiunea la bornele rezistorului (de rezistenţă

electrică cunoscută), iar pe un alt canal, tensiunea pe diodă.

Valoarea intensităţii curentului electric din circuit se determină folosind

legea lui Ohm pentru porţiunea de circuit ce include rezistorul: R

ui R

Punctele experimentale de coordonate (uD, i) sunt vizualizate într-un grafic xy, fiind astfel obţinută

caracteristica statică a diodei. Instrumentul virtual este proiectat echivalent celui realizat pentru

trasarea caracteristicii unui rezistor.

Analiza semnalelor înregistrate a pus în evidenţă

faptul că este necesară o valoare minimă a tensiunii

aplicate diodei pentru ca aceasta să intre în

conducţie. Peste acest prag, curentul în conducţie

directă creşte rapid o dată cu creşterea tensiunii

electrice.

Astfel, prin semnalele înregistrate experimental, am

evidenţiat comportarea neliniară a diodei

semiconductoare.

Fig. 21: Semnal achiziţionat prin efectuarea

acestui experiment (caracteristica diodei)

Experimentul a fost refăcut pentru diode diferite. Analizând comparativ caracteristicile acestora

elevii au constatat faptul că tensiunea de prag nu are aceeaşi valoare - am obţinut 6.07419 V pentru

una dintre diode şi 2. 3189 V pe o altă diodă. Folosind aceste rezultate experimentale am putut

identifica natura materialului celor două diode semiconductoare – siliciu, respectiv germaniu. Acest

lucru a fost stabilit după consultarea de date tehnice care menţionează faptul că pentru diodele de

germaniu tensiunea de prag este cuprinsă în intervalul [2, 3] V, iar pentru diodele de siliciu

tensiunea de prag este cuprinsă în intervalul [6, 7] V.

Prelucrarea datelor

Pentru prelucrarea datelor experimentale achiziţionate computerizat a fost utilizat programul Excel.

Fig. 22: Secvenţă din foaia de calcul Excel (prelucrarea datelor)

Page 18: LabVIEW - Modelare si achizitie de semnal

Investeşte în oameni!

Lucrare de evaluare finală, M2 (prof. Emilia Păușan) pag. 18 / 19

Selectând punctele experimentale de pe porţiunea caracteristicii, ce poate fi considerată liniară, şi

adăugând curba de tendinţă (tendinţă liniară), am determinat atât tensiunea de prag (din intersecţia cu

axa tensiunii), cât şi rezistenţa diodei în conducţie directă (din panta liniei de tendinţă).

Fig. 23: Modelare pentru descrierea comportării diodei

polarizată direct

Liniarizând caracteristica diodei, am abordat

simplificat comportarea acesteia. Modelul

definit a constat în liniarizarea caracteristicii

pe porţiuni - model cu tensiune de prag şi

rezistenţă nenulă în conducţie directă.

Un astfel de model prezintă avantaje importante: prin utilizarea lui analiza circuitelor ce conţin

elemente neliniare poate fi realizată echivalent studiului reţelelor liniare.

Transferul pe model a informaţiilor obţinute

pe sistem real

Pornind de la avantajul unei modelări, am

realizat şi un soft de simulare în care am

inclus modelul definit. În figura de mai jos

este prezentată o variantă simplă a acestui

soft, realizat cu LabVIEW.

Fig. 24: Soft de simulare ce include modelul definit pentru

descrierea comportării diodei polarizată direct

4. Concluzii

Existând clase/grupuri de elevi cu probleme distincte, poate fi eficient ca diferite softuri de simulare

să fie realizate de către profesor, acesta cunoscând dificultăţile elevilor cu care lucrează. Importanţa

softului de simulare este bine pusă în evidenţă în condiţiile în care un experiment real nu poate fi

desfăşurat într-un laborator şcolar sau atunci când elaborăm cursuri în sistem eLearning.

Există şi situaţii în care apelăm la softuri de simulare pentru a oferi elevilor posibilitatea de a exersa

în ritm propriu sau pentru a le prezenta diferite metode de investigare, urmărind acomodarea

elevilor cu aceste metode, în vederea confruntării cu experimentul real, de laborator.

Atunci când apelăm la instrumentație virtuală pentru achiziția computerizată de date experimentale,

apar avantaje deosebite:

instrumentul virtual poate fi adaptat fiecărei măsurări fără nici un cost;

pot fi achiziţionate zeci de mii de puncte / secundă;

datele achiziţionate pot fi salvate în foi de calcul tabelar sau în fişiere text, realizând astfel o

importantă colecţie de date într-un timp foarte scurt, iar acest lucru oferă premise valoroase

pentru o investigaţie experimentală.

apelând la instrumentaţie virtuală pot fi depăşite unele decalaje tehnice şi tehnologice,

pentru eliminarea cărora ar fi necesare investiţii mari; există un singur obstacol:

creatorul, dar şi utilizatorul unui instrument virtual, nu mai poate fi inginerul sau

muncitorul anilor trecuţi.

(RD = 1/tg

i

U U0

Page 19: LabVIEW - Modelare si achizitie de semnal

Investeşte în oameni!

Instrumentație virtuală LabVIEW pag. 19 / 19

Iată de ce acomodarea cu noile tehnologii utilizate astăzi pentru măsurare, monitorizre și control,

reprezintă o cerință și în educație.

5. Bibliografie

1. Tom Savu, Gabriela Savu, “Informatică. Tehnologii asistate de calculator”, Editura ALL

Educational;

2. Documentaţie pentru plăci de achiziţie şi tutorial LabVIEW (http://www.ni.com/)

3. http://www.ctanm.pub.ro/academic/LabVIEW/Tutorial.htm

4. http://emiliapausan.wikispaces.com/LabVIEW

5. http://emiliapausan.wikispaces.com/DAQ

6. http://emiliapausan.wikispaces.com/XIB2011_expYoung,

http://emiliapausan.wikispaces.com/Young

7. http://youtu.be/N7tIM72ONWU (clip video postat de prof. Emilia Păușan)

8. Emilia Păuşan, Tutorial LabVIEW (http://pss.ro/science_fun_club_romania/)

9. http://www.ctanm.pub.ro/Club/Prezentari/CNIV%202007/PDFs/21%20Emilia%20PAUSAN.pdf

- Conferința Naională de Instrumentatie Virtuală, Ediția A IV-A, Bucuresti, 28 Mai 2007, autori

articol Emilia Păușan, prof. Maria-Monica Iliescu

10. http://www.didactic.ro/materiale-didactice/19925_transformarea-izoterma - aplicația

“Transformare izotermă”, autor prof. Emilia Păușan

11. http://www.ctanm.pub.ro/Club/Aplicatii/118.htm, (Clubul utilizatorilor LabVIEW), Legea Ohm,

autor aplicație realizată de prof. Emilia Păușan

12. http://www.ctanm.pub.ro/Club/Aplicatii/117.htm, Clubul utilizatorilor LabVIEW, Măsurare R.

Metoda ampermetru-voltmetru, aplicație realizată de prof. Emilia Păușan

13. http://www.ctanm.pub.ro/Club/Aplicatii/112.htm, Clubul utilizatorilor LabVIEW, Mișcare

circulară uniformă, aplicație realizată de prof. Emilia Păușan

14. http://www.ctanm.pub.ro/Club/Aplicatii/115.htm, Clubul utilizatorilor LabVIEW, Lentila

convergentă, aplicație realizată de prof. Emilia Păușan

15. http://www.ctanm.pub.ro/Club/Aplicatii/15.htm, Clubul utilizatorilor LabVIEW, Determinarea

coeficientului de frecare la alunecare, aplicație realizată de prof. Emilia Păușan

16. http://www.ctanm.pub.ro/Club/Aplicatii/19.htm, Clubul utilizatorilor LabVIEW, Determinarea

constantei elastice a unui resort (metoda echilibrului), aplicație realizată de prof. Emilia Păușan

17. http://www.ctanm.pub.ro/Club/Aplicatii/110.htm, Clubul utilizatorilor LabVIEW, Determinarea

constantei elastice a unui resort (metoda oscilației), aplicație realizată de prof. Emilia Păușan