Grundlagen der Eletrotechnik Praktikum. Einführung in. National Instruments Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite NI ELVIS TM

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1 Grundlagen der Eletrotechnik Praktikum Einführung in National Instruments Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite NI ELVIS TM für das Praktikum im Fachgebiet Allgemeine und Theoretische Elektrotechnik (ATE) Elektrotechnik und Informationstechnik Faktultät für Ingenieurwissenschaften Universität Duisburg-Essen Duisburg, April 2011

2 1. ELVIS Die Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite (ELVIS) ist eine Plattform von National Instruments mit dem Ziel eine integrierte Umgebung für das Lernen von Messungen, Steuerungen und Schaltungsaufbauten bereitzustellen. Somit bietet sie sich für den Einsatz in Laborpraktika im Rahmen der Lehre an. Es existiert in ELVIS dazu eine Reihe von virtuellen Messinstrumenten wie Oszilloskop, Multimeter, Impedanz-Messgerät usw. und zusätzlich die Möglichkeit Signale mittels Funktionsgenerator und Spannungsnetzteile zu erzeugen. Für den Aufbau der Schaltungen hat National Instruments ein Steckbrett (Prototyping Board) vorgesehen, welches jedoch einige Nachteile im täglichen Praktikumseinsatz hat und deshalb für den direkten Schaltungsaufbau nicht im ATE-Praktikum genutzt wird. Statt dessen wird ein abgesetztes Steckbrett mit Bananen-Steckverbindungen stattdessen verwendet, welches mittels Adapter an ELVIS angeschlossen wird. 2. Das ELVIS-System im Überblick 1. PC mit LabVIEW und ELVIS-Software 2. DAQ-Karte 3. Verbindungskabel 4. NI-ELVIS Prototyping Board 5. NI-ELVIS Workstation Abb. 1.1 ELVIS System, Abbildung entnommen aus: NI ELVIS User Manual, Chapter 2-2, Fig. 2-1 Universität Duisburg-Essen, Fachgebiet Allgemeine und Theoretische Elektrotechnik 1/5

3 Das ELVIS-System besteht im Wesentlichen aus drei Komponenten: ELVIS-Workstation, DAQ-Karte, Software. Die ELVIS-Workstation dient zum Aufbau von Schaltungen und als Schnittstelle für Experimente. Das Prototyping-Board ermöglicht Schaltungsaufbauten mit Standardbaukomponenten und führt alle Mess- und Signalleitungen nach außen. (Im ATE-Praktikum wird zum Aufbau der Versuche ein abgesetztes Steckbrett genutzt; das Board dient nur zur Anbindung.) Die DAQ-Karte (Data Acquisition, Datenerfassung) ist ein AD-/DA-Wandler und stellt die Verbindung zur letzten der drei Komponenten, der Software, her. Die Software für das ELVIS-System basiert auf LabVIEW, einer grafischen Programmiersprache der Firma National Instruments für die rechnergestützte Erfassung, Weiterverarbeitung und Erzeugung von Signalen. Die zugehörige ELVIS-Software besteht aus einem SoftwareFrontPanel (SFP), welches die virtuellen Instrumente (Oszilloskop, Netzteil, Multimeter usw.) beinhaltet und der ELVIS-API (Application Programmable Interface) für die direkte Nutzung von ELVIS-Komponenten in eigens erstellten Applikationen Das virtuelle Instrumentarium von ELVIS Es wird von ELVIS bereits eine Palette von virtuellen Instrumenten für Experimente bereitgestellt, die in ihrer Optik und Handhabung "realen" Instrumenten nachempfunden sind. Das ELVIS-System kann so eine Reihe von einzelnen Geräten zu einem einzigen vereinen. Zweikanal-Ozsilloskop Digitales Multimeter Funktionsgenerator Variables Spannungsnetzteil Bode-Analysator Dynamische Signalanalyse Wellenform-Generator Digital Anzeige Digital Ausgabe Impedanz-Analyse Two-Wire Analyzer Three-Wire Analyzer Abb 2.1 ELVIS Instrumentarium, Abbildung entnommen aus: Introduction to NI ELVIS, Chapter 1-3, Exercise 1-1 Es ist zu beachten, dass nicht alle Universität Duisburg-Essen, Fachgebiet Allgemeine und Theoretische Elektrotechnik 2/5

4 virtuellen Instrumente zeitgleich genutzt werden können. Bedingt ist dieses durch den inneren Aufbau von ELVIS. Es existiert nur eine begrenzte Anzahl von analogen Eingängen(6), analogen Ausgängen (2) und Steuerungsleitungen. Die Spannungsnetzteile und der Funktionsgenerator lassen sich auch ohne das SFP direkt an der ELVIS-Workstation steuern. Dazu muss an der ELVIS-Workstation die gewünschte Komponente auf "manual" umgestellt werden. Das jeweilige Instrument steht dann im SFP für die Dauer des manuellen Betriebs nicht zur Verfügung Vorderansicht ELVIS-Workstation 1. Power LED 2. Ein-/Ausschalter Prototyping Board 3. Kommunikationsschalter 4. Einstellbare Spannungsnetzteile 5. Funktionsgenerator 6. Anschlüsse digitales Multimeter (DMM) 7. Anschlüsse Oszilloskop Abb. 2.2 ELVIS-Workstation Vorderansicht, Abbildung entnommen aus: NI ELVIS User Manual, Chapter 3-2, Fig. 3-1 Auf der Vorderseite der ELVIS-Workstation sind die Anschlüsse für das Oszilloskop und das digitale Multimeter (DMM) neben den manuellen Kontrollen für den Funktionsgenerator und der beiden Spannungsnetzteile untergebracht. Die Anschlüsse (Kanal A, Kanal B und Trigger) für das Oszilloskop sind ebenfalls auf dem Prototyping Board wiederzufinden. Eine gleichzeitige parallele Nutzung zu den BNC-Verbindungen ist jedoch nicht möglich! Das Prototyping Board lässt sich mit dem Schalter 2 für den Schaltungsauf-/umbau abschalten. Der eigentliche Ein-/Ausschalter für die Workstation befindet sich auf der Rückseite. Universität Duisburg-Essen, Fachgebiet Allgemeine und Theoretische Elektrotechnik 3/5

5 2.3. Ansicht Prototyping-Board 1 Analoge Eingangskanäle(AI), Oszilloskop und programmierbare Funktionskanäle(PF) 2 Digitale Kanäle (DIO I/O) 3 LED Feld 4 D-SUB Verbinder 5 Zähler/Timer, benutzer-konfigurierbare I/O Kanäle, Netzteil Signalleitungen 6 DMM, Analoge Ausgänge(AO), Funktionsgenerator, Benutzer-konfigurierbare Kanäle, Spannungsnetzteile, Netzteil Signalleitungen, 7 LEDs Betriebsspannungen, 8 BNC Anschlüsse 9 Bananen-Buchsen Abb ELVIS PrototyPing Board, Abbildung entnommen aus: NI ELVIS User Manual, Chapter 3-6, Fig. 3-2 Das Prototyping-Board wird im Praktikum für den Versuchsaufbau nicht genutzt. Es werden die notwendigen Signalleitungen vom Board durch den ELVIS-Adpater heruntergeführt und den Teilnehmern bereitgestellt. Beide Spannungsnetzteile, Funktionsgenerator, 3 analoge Eingangskanäle für Messungen, 2 analoge Ausgangskanäle für Signale. Das Oszilloskop und das digitale Multimeter (DMM) haben einen direkten Anschluss an der Workstation (siehe Abb 2.2). Universität Duisburg-Essen, Fachgebiet Allgemeine und Theoretische Elektrotechnik 4/5

6 3. Literaturverzeichnis [1] NATIONAL INSTRUMENTS, "NI Educational Laboratory Instrumenation Suite (NI ELVIS ), User Manual, " August [2] Barry Paton, "Introduction to NI ELVIS," March [3] Rahman Jamal, Andre Hagestedt, "LabVIEW, Das Grundlagenbuch," Verlag ADDISON- WESLEY, 4. Auflage 2004 Universität Duisburg-Essen, Fachgebiet Allgemeine und Theoretische Elektrotechnik 5/5