Nghiên cứu bộ thí nghiệm NI elvis và phần mềm multisim thiết kế bài đo lường điện cho sinh viên ngành kỹ thuật điện điện tử tại trường đại học trà vinh

TẠP CHÍ CONGIHIÍÚNG NGHIÊN CỨU BỘ THÍ NGHIỆM NI ELVIS VÀ PHẦN MỀM MULTISIM THIÊT KẾ BÀI ĐO LƯỜNG ĐIỆN CHO SINH VIÊN NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN - ĐIỆN TỬ TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC TRÀ VINH • THẠCH THỊ VIA SA NA TĨM TẮT: Bộ thí nghiệm NI Elvis thiết kế để sử dụng chủ yếu cho giáo dục, thiết bị chuyên dùng cho thiết kế thực hành mạch điện phần mềm Multisim quan sát thông số, đồ thi qua giao diện Labview Đây công cụ hàng đầu giảng dạy tập thí nghiệm nhiều lĩnh vực, như: trang thiết bị điện, mạch điện, điện tử bản, đo lường điện, vi mạch, điện tử công suất, thông tin liên lạc, Nghiên cứu nhằm giúp người học Trường Đại học Trà Vinh ứng dụng cơng thức lý thuyết tính tốn thông số, mô số mạch đo lường điện phần mềm mồ Multisim lắp đặt linh kiện bo (board) mạch NI Elvis để quan sát thơng số giao diện Labview Từ khóa: NI Elvis, phần mềm Multisim, Labview, thiết bị ảo, đo lường điện Đặt vấn đề Với phát triển khoa học công nghệ yêu cầu đổi ngành Giáo dục, đặc biệt ttong lĩnh vực điện - điện tử để đạt hiệu cao cần trang bị thiết bị đầy đủ để phục vụ thí nghiệm cho việc dạy học không chiếm nhiều không gian Ngồi ra, chương trình đào tạo ngành Kỹ thuật điện điện tử Trường Đại học Trà Vinh phần lý thuyết Đo lường điện, nội dung lý thuyết tích hợp vào học phần Thực hành đo lường điện Do đó, nghiên cứu thí nghiệm NI Elvis phần mềm Multisim thật cần thiết công việc giảng dạy học phần Thực hành đo lường điện 344 SỐ - Tháng 4/2022 Bộ NI Elvis nhỏ gọn tích hợp đến 12 thiết bị đo lường ảo thông dụng chuyên ngành Kỹ thuật điện, điện tử giao tiếp với máy tính qua cổng USB Trong viết này, tác giả thực tính tốn thơng số theo cơng thức lý thuyết, mơ sô' mạch đo lường điện phần mềm Multisim lắp đặt linh kiện bo (board) mạch NI Elvis để quan sát thông số giao diện Labview Mục đích nghiên cứu hướng dẫn người học nắm vững sở lý thuyết thực hành, so sánh kết mô mạch với thông số quan sát giao diện Labview sau lắp mạch NI Elvis KHOA HỌC -KỸ THUẬT Phương pháp nghiên cứu Tiến hành thu thập tài liệu nghiên cứu phần mềm multisim, giao diện đồ họa Labview thí nghiệm NI Elvis - Bộ thí nghiệm NI Elvis: thiết bị chuyên dùng cho thiết kế thực hành mạch điện phần mềm Multisim quan sát thông số, đồ thị qua giao diện Labview Bộ thí nghiệm cơng cụ hàng đầu giảng dạy tập thí nghiệm nhiều lĩnh vực, như: trang thiết bị điện, mạch điện, điều khiển, thông tin liên lạc thiết kế mạch nhúng theo kiểu Suite) Elvis Hãng National Instruments (NI) thiết kế để sử dụng chủ yếu cho giáo dục Vì vậy, thiết bị có tên gọi phổ biến NI Elvis [1] (Hình 2) NI Elvis gồm có board mạch chính: board mạch để lắp linh kiện board mạch để thu nhận liệu, kết nối thành khối nhát định vị cô định Khi thực hành NI Elvis cần kết nôi board mạch câp nguồn Board mạch có nhiệm vụ cấp nguồn kết nối với board mạch NI Elvis thông qua cáp truyền liệu Ngoài ra, board mạch có đầu cắm cho máy sóng, đồng hồ vạn năng, điều chỉnh tần số, điện áp cấp thực hành tương tác (Hình 1) Bộ thí nghiệm Elvis tích hợp 12 thiết bị, như: đồng hồ vạn kỹ thuật số, hiển thị tín hiệu dạng biểu đồ, máy phát xung Funtion Generator, [1], [7] nguồn có điều chỉnh, phân tích, máy phân tích tín hiệu động, máy Hình 1: sơ đồ khối thí nghiệm NI Elvis (1, 7) phát sóng, đọc kỹ thuật số, ghi kỹ thuật số, thiết bị phân tích tín hiệu trở kháng, thiết bị đo dây tín hiệu điện áp dịng điện, thiết bị đo dây tín hiệu điện áp dịng điện vào khối Do đó, giúp giảm bớt chi phí đầu tư thiết bị phịng thí nghiệm Ngồi ra, thí nghiệm Elvis cho phép người sử dụng thiết kế thí nghiệm Các thiết bị người sử dụng thiết kế chạy máy tính thí nghiệm Elvis, gọi thiết bị ảo [1] Hệ thống thí nghiệm NI Elvis gồm: Bộ truy xuât liệu (Data Acquistion Board): máy tính giao tiếp với thu liệu (bench - top workstation) để nhận tín hiệu Bộ thu liệu (Bench - top workstation) gồm mạch để thực mô thiết bị ảo tạo phần mềm NI ELVIS Phần mềm chạy LabVIEW có chức tạo giao diện đồ họa cho thiết bị [1] Bộ thí nghiệm ảo (Educational Laboratory Virtuallnstrumentation Hình 2: Mặt thí nghiệm Elvis (bộ thí nghiệm Elivis thực tế) (ỉ, 7) Số - Tháng 4/2022 345 TẠP CHÍ CƠNG THƯƠNG Hình 3: Thanh dụng cụ đo kiểm (giao diện phần mềm đo kiểm Labview) (ì, 7) - Giao diện phần mềm Labview: công cụ giao diện Labview có biểu tượng thiết bị, như: đồng hồ vạn kỹ thuật số, hiển thị tín hiệu dạng biểu đồ, Hình 4: Giao diện phần mềm Multisim (7) máy phát xung Funtion Generator, nguồn có điều chỉnh, phân tích, máy phân tích tín hiệu động, máy phát sóng, đọc kỹ thuật số, ghi kỹ thuật sơ", thiết bị phân tích tín hiệu trở kháng, thiết bị đo dây tín hiệu điện áp dòng điện, thiết bị đo dây tín hiệu điện áp dịng điện (Hình 3) [1] - Phần mềm Multisim phần mềm mô với thư viện tương đôi đầy đủ linh kiện điện tử tích hợp thiết bị đo, máy phát tạo xung, công cụ mô chiều tương tự 12 thiết bị NI Elvis, với thiết kế tiện lợi giúp người học mơ trực quan thu kết xác Trước thực hành lắp mạch thực tế, nên dùng Multisim để mô tính tốn mạch thí nghiệm dựa sở lý thuyết Giúp người dùng có kết nhanh Multisim, cần nhấp chuột lên cơng cụ tên linh kiện thiết bị Nhấp chọn linh kiện thiết bị cần dùng, di chuyển trỏ đến nơi cần đặt nhấp chuột Biểu tượng linh kiện thiết bị xuất mạch Nôi dây phần tử vào mạch điện cần mô Nếu cần thiết, kéo biểu tượng đặt lại cho vị trí cần đặt Điều chỉnh lại thông số nút điều khiển công cụ Để loại bỏ phần tử đó, cần chọn phần tử cần xóa tương ứng ấn phím xóa (Delete) đường kết nơi mạch điện cần mơ bị xóa Sau chỉnh sửa thông số công cụ quan sát máy sóng, đồng hồ kỹ 34Ĩ Số - Tháng 4/2022 thuật số , giá trị linh kiện mạch điện, tiến hành mô mạch điện thiết kế [1] Thiết kế thực hành đo lường điện Bộ NI Elvis thiết bị hỗ trợ người dạy thiết kế giảng môn học ngành Điện, như: điện tử bản, đo lường điện, vi mạch, thông tin liên lạc thiết kế mạch nhúng theo dạng thực hành tương tác Bộ thí nghiệm thiết bị đại, giúp học viên học sở lý thuyết thực hành 3.1 Mạch điện trở đấu hỗn hợp (Hình 5, Hình 6, Hình 7) Hình 5: sơ đồ mạch điện trở KHOA HỌC-KỸ THUẬT Hình ó: Mạch điện trở đấu hồn hỢp - Dòng điện chạy qua điện trở R3: giao diện Multisim (ỉ, tác giả) I = J^34_ = 2^481 = 128(mA) R3 2200 - Dòng điện chạy qua điện trở R4: Ir4 =4t1 = R4 R4 = 752 3300 H * Thực vẽ mạch điện trở đấu hỗn hợp giao diện Multisim: * Thực lắp mạch điện trở đấu hỗn hợp NI Elvis: 3.2 Mạch R- L - c đấu nối tiếp (Hĩnh 8, Hình 9, Hình 10) Hình 8: sơ đồ mạch R-L-C đấu nối tiếp (2-3) XMM7 Hình 7: Mạch điện trở đấu hỗn hỢp thí nghiệm NI Elvis (ì, tác giả) Hình 9: Mạch P-L-C đấu nối tiếp giao diện Multisim (1, tác giả) * Từ sơ đồ mạch ta tính thông số theo công thức[4-5] - Điện trở R23: R34 = i^= 220033p0_ = 132 34 R3 + R4 5500 - Điện trỡ tương đương toàn mạch: Rjd = R| + R? + R34 = 2650 (Í2) - Dịng điện toàn mạch: I = 11 ■= I2 = = Rtđ 2650 Hình 10: Mạch R-L-C đấu nối tiếp thí nghiệm NI Elvis II (1, tác giả) = 0,00188 (A) = 1,88 (mA) - Điện áp điện trở Rị: UR| = I*R[ = 1,88*330 = 620,4 (mV) - Điện áp điện trở R2: UR2 = I*R2 = 1,88* 1000 = 1,88 (V) - Điện áp điện trở R34: Ur34 = I*R34= 1,88*1320 = 2,481 (V) Số - Tháng 4/2022 347 TẠP CHÍ CƠNG THƯƠNG * Từ sơ đồ mạch, ta tính thông số theo công thức [4-5]: Dung kháng tính sau: zc = -1 = 67,725 (Q) c 2n.50.47.10-6 nguồn xoay chiều sau nhấp vào chữ “ok” hoàn thành bước chọn nguồn xoay chiều nguồn AC vị trí lắp linh kiện Tiếp theo, thay đổi giá trị phù hợp với sơ đồ nguyên lý u = 220V, f = 50Hz Bước 3: Chọn biến áp pha 220V/50HZ, cơng tắc, tụ điện nhấp vào biểu tượng điện trở Cảm kháng tính sau: ZL = coL = 2nfL = *2271 50 10-3 = 0,628 (Q) Tổng trơ tồn mạch tính cơng thức: linh kiện ký hiệu loại biến z = Ựr2 + (Zl-Zc)2 = 1002,3 (Q) áp tụ điện Dòng điện chạy mạch bằng: - Chọn máy biến áp ta chọn vào dịng chữ NON_LINEAR_TRANSFORMER cột I = IR = I = Ic = -3L = 12 c z 1002.3 Database để chọn chủng loại máy biến áp Sau nhấp vào dịng chữ NLT_PQ_4_12 bên cột = 0,0119(A) = 11,9 (mA) Điện áp điện trở, tụ điện cuộn cảm là: Component ký hiệu máy biến áp hiển thị + Ur = * IR= 11,9 (V) khung chèn ký tự (symbol) + Ul = Z I* l = 7,47 (mV) - Chọn tụ điện chọn vào dịng chữ CAP-ELECTROLIT cột Database để chọn + Uc = I* Zc = 0,806 (V) = 806 (mV) * Thực vẽ mạch điện R - L - c đấu nối tiếp chủng loại tụ điện Sau gõ vào giá trị điện dung tụ điện = 2200pF cột Component để chọn giá giao diện Multisim: * Thực lắp mạch điện R - L - c đâu nối tiếp trị tụ điện tụ điện lên vị trí lắp linh kiện Đê thay đơi thơng sơ tụ điện nhâp NI Elvis: lần vào biểu tượng tụ điện để thay đổi giá trị điện 3.3 Mạch chỉnh lưu tồn kỳ khơng điều khiển (Hình II) Thực vẽ mạch chỉnh lưu tồn kỳ khơng điều khiển giao diện Multisim theo bước sau đây: Bước 1: Nhấp vào biểu tượng chương trình Multisim hình máy tính giao diện phần mềm Multisim Bước 2: Vào biểu tượng nguồn linh kiện thông sô nguồn Tiếp theo chọn vào AC_POWER để chọn dung, sai số điện dung, giá trị điện áp làm việc tụ điện hiển thị - Chọn cơng tắc nhâp vào dịng chữ SWITCH cột Database để chọn chủng loại công tắc Sau nhấp vào dịng chữ DIPSW1 cột Component để chọn cơng tắc đơn cơng tấc hiển thị nơi lắp linh kiện - Chọn cầu chỉnh lưu từ biểu tượng diode công cụ chọn vào biêu tương cau diode FWB bên cột Database, nhấp vào dịng chữ Hình 11: sơ đồ ngun lý mạch chỉnh lứu tồn kỳ khơng điều khiển (5-6) CẰU CHỈNH LƯU VI z'+'x 220 Vrms ( ~ ) 50 Hz NGUỒN ĐIỆN 220/50HZ ĐIỆN ÁP NGỖ RA DC C1 2200pF 220/24VAC 348 Số 7-Tháng 4/2022 KHOA HỌC -KỸ THUẬT Hình 12: Bộ dụng cụ đo kiểm 1G4B42 bên cột Componnent, nhâp vào chữ “ok cầu chỉnh Hình 13: Mạch chỉnh lưu toàn kỳ giao diện phần mềm Multisim (tác giả) MAYOOĐ.ỆNAP lưu vị trí lắp linh kiện - Chọn máy sóng chọn dụng cụ đo Hình 12 Mn đo hiển thị thơng số nháp lần vào biểu tượng vị trí lắp linh kiện, ưên giao diện xem dạng sóng, điều chỉnh giá trị hiển thị tương tự MAY HIÈN SĨNG Hình 14: Lắp mạch chỉnh lưu tồn kỳ Elvis (tác giả) máy Oscilloscope - Chọn đồng ho VOM, nhấp vào biểu tượng máy đo điện áp Khi đo điện áp nhấp vào biểu tượng thiết bị đo vị trí lắp linh kiện kết giá trị cần đo Sau lấy tất linh kiện thiết bị đo kiểm hiển thị giao diện lắp linh kiện, tiếp tục dùng chuột nối thiết bị lại với sơ đồ chỉnh lưu tồn kỳ khơng điều khiển Hình 13 Thực lắp mạch chỉnh lưu tồn kỳ khơng điều khiển NI Elvis Hình 14 Kết mô quan sát giao diện Labview Sau khảo sát phần mềm Multisim Elvis có kết sau: * Mạch điện trở đâu hỗn hợp: Bảng Mạch điện trở đấu hồn hợp Kết Kết Multisim Labview Dòng điện tổng Dòng điện điện trỏ' 330 Q Dòng điện điện trở 1000Q (Bảng 1) SỐ - Tháng 4/2022 349 TẠP CHÍ CƠNG THƯƠNG * Mạch R - L - c đấu nối tiếp: (Bảng 2) * Mạch chỉnh lưu tồn kỳ khơng điều khiển: (Từ Hình 15 đến Hình 22) * Kết luận: - Kết mô Multisim kết lý thuyết, sử dụng linh kiện ảo khơng tính sai số' linh kiện điện tử thật ln có chênh lệch giá trị, ln có sai sơi - Kết thí nghiệm NI ELVIS II kết thực tế, sử dụng linh kiện thật, nên kết có sai sơ' nhỏ - Đối với dạng sóng ngõ thí nghiệm tương tự nhau, với dạng sóng thí nghiệm thực tế NI ELVIS II độ gỢn sóng - Các thao tác vẽ mạch mơ phần mềm Multisim hay lắp mạch thực tế thí nghiệm NI Elvis II giơng nhau, tạo điều kiện thuận lợi để so sánh kết tính tốn lý thuyết kết đo thực hành Nguồn: Tác giả Bảng Mạch R - L - c đấu nối tiếp Kết Multisim Multimeter-XMMI Multimeter-XMM? X X Kết quan sát Labview Dòng điện tổng Điện áp cuộn cảm L UBB1 Mulíimster-XMM3 X Điện áp điện trỏ' R Multimeter-XMM4 X Điện áp tụ điện c 350 Số - Tháng 4/2022 a Nguồn: Tác giả KHOA HỌC-KỸ THUẬT Hình 15: Dạng sóng nguồn AC ngõ vào giao diện Multisim Hình 18: Dạng sóng sau chỉnh lưu chưa gắn tụ lọc nguồn giao diện Labview Hình 19: Điện áp sau lắp tụ lọc nguồn giao diện Multisim 47 Ãgilent Multimeter-XMMl Hình 16: Dạng sóng nguồn AC ngơ vào giao diện Labview Hình 20: Điện áp sau lắp tụ lọc nguồn giao diện Labview Hình 17: Dạng sóng sau chỉnh lưu chưa gắn tụ lọc nguồn giao diện Multisim Oscilloscope-XSC2 Số - Tháng 4/2022 351 TẠP CHÍ CƠNG THƯƠNG Hình 21: Dạng sóng sau lắp tụ lọc nguồn Hình 22: Dạng sóng sau lắp tụ lọc nguồn giao diện Multisim giao diện Labview Kết luận kiến nghị Thực tế, NI Elvis đáp ứng nhu cầu cho người dạy người học lắp mạch thật quan sát đo kiểm qua giao diện Labview so sánh nhanh kết lý thuyết mơ phần mềm Multisim Bộ thí nghiệm NI Elvis thiết bị có sấn mơn Điện - Điện tử Trường Đại học Trà Vinh Đó thí nghiệm nhỏ gọn, có tích hợp tương đối đầy đủ thiết bị ảo Khi sử dụng NI Elvis, trang bị thêm thiết bị đo lường, phát xung, Tuy nhiên, NI Elvis trang bị cho giảng viên nghiên cứu, chưa trang bị phục vụ người học Vì vậy, đề xuất trang bị đầy đủ cho phịng thí nghiệm thiết bị phù hợp với xu Bộ thí nghiệm NI ELVIS sử dụng mục đích giảng dạy trường để tiết kiệm không gian học tập giảng dạy; môn học chuyên ngành Điện - Điện tử sinh động thuận tiện cho việc học ■ TÀI LIỆU THAM KHẢO: Professor Barry Paton Introduction to NI Elvis: NI Elvis II, Multisim, and Labview [Online] Avalabile at https ://education.ni.com/teach/resources/604/introduction-to-ni-elvis-ii-ni-multisim-and-ni-labview Phan Thế Hiếu Tài liệu môn Đo lường điện (lưu hành nội bộ) Bộ môn Điện - Điện tử, Khoa Kỹ thuật Công nghệ, Trường Đại học Trà Vinh Phạm Tấn Hưng Tài liệu Thực hành Đo lường điện (lưu hành nội bộ) Bộ môn Điện - Điện tử, Khpa Kỹ thuật Cơng nghệ, Trường Đại học Trà Vinh Nguyễn Hồng Mai (2014) Kỹ thuật Đo lường điện Hà Nội: NXB Xây dựng Trần Thu Hà (2013) Giáo trĩnh điện tử NXB Đại học Quôc gia TP Hồ Chí Minh Lê Phi Yến - Lưu Phú Nguyễn Như Anh (2000) Kỹ thuật điện tử NXB Khoa học Kỹ thuật Website: http://www.ni.com/en-vn.html 352 Số 7-Tháng 4/2022 KHOA HỌC-KỸ THUẬT Ngày nhận bài: 28/2/2022 Ngày phản biện đánh giá sửa chữa: 22/3/2022 Ngày châp nhận đăng bài: 15/4/2022 Thông tin tác giả: ThS THẠCH THỊ VIA SA NA Bộ môn Điện - Điện tử, Khoa Kỹ thuật Công nghệ Trường Đại học Trà Vinh USING THE NI ELVIS KIT AND MULTISIM SOFTWARE TO DESIGN THE EXERCIES OF MEASURING ELECTRICAL PARAMETERS FOR ELECTRICAL AND ELECTRONIC TECHNOLOGY STUDENTS AT TRA VINH UNIVERSITY • Master THACH THI VIA SA NA Department of Electrical and Electronic Engineering, School of Engineering and Technology, Tra Vinh University ABSTRACT: The NI Elvis kit is used mainly for education, especially for design practice of electrical circuits with the use of Multisim software and Labview to observe parameters and graphs The NI Elvis kit is considered one of the best tools for conducting experiments in many fields such as electrical equipment, electrical circuits, basic electronics, electrical measurement, microchips, power electronics, communications, etc This paper is to help Tra Vinh University’s students know how to apply theoretical formulas to calculate parameters, simulate some electrical measurement circuits by using Multisim software, install components on the NI Elvis cứcuit board and use the Labview to observe parameters Keywords: NI Elvis, Multisim software, Labview, virtual device, electrical measurement SỎ'7 - Tháng 4/2022 353 ... kiện mạch điện, tiến hành mô mạch điện thiết kế [1] Thiết kế thực hành đo lường điện Bộ NI Elvis thiết bị hỗ trợ người dạy thiết kế giảng môn học ngành Điện, như: điện tử bản, đo lường điện, vi... môn Đo lường điện (lưu hành nội bộ) Bộ môn Điện - Điện tử, Khoa Kỹ thuật Công nghệ, Trường Đại học Trà Vinh Phạm Tấn Hưng Tài liệu Thực hành Đo lường điện (lưu hành nội bộ) Bộ môn Điện - Điện tử, ... mơ phần mềm Multisim Bộ thí nghiệm NI Elvis thiết bị có sấn môn Điện - Điện tử Trường Đại học Trà Vinh Đó thí nghiệm nhỏ gọn, có tích hợp tương đối đầy đủ thiết bị ảo Khi sử dụng NI Elvis, trang