Віртуальний інструментарій для моделювання роботи відбивного клістрону

Гніденко, Віталій Якович
Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/5838
Title:	Віртуальний інструментарій для моделювання роботи відбивного клістрону
Authors:	Гавриш, Олександр Степанович Гніденко, Віталій Якович
Keywords:	імітаційне моделювання;відбивний клістрон;зони генерації;віртуальний стенд;програма LABVIEW
Issue Date:	2023
Abstract:	Метою даної кваліфікаційної магістерської роботи є модернізація віртуального інструментарію в середовищі LabVIEW для імітаційного моделювання генератора на відбивному клістроні. Об’єкт дослідження – відбивний клістрон. Методи дослідження –моделювання в середовищі LabView. В магістерській роботі синтезовано віртуальний лабораторний стенд в середовищі LabView, який дозволяє провести імітаційне моделювання відбивного клістрону. Синтезовано лабораторний стенд в якому вхідними параметрами будуть: напруга на резонаторі, зміна напруги на відбивачі та номер зони генерації; а вихідними параметрами: напруга на відбивачі в центрі зони генерації, вихідна потужність, частота сигналу, що генерується, та електронне налаштування частоти для п’яти зон генерації. На двох додаткових сторінках віртуального стенду в автоматичному режимі будуються графічні залежності вихідної потужності і електронного налаштування від напруги на відбивачі, що відповідають заданому набору вхідних параметрів. Відповідно змінюючи вхідні параметри будуть змінюватись кількісні показники графічних залежностей.
URI:	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/5838
Appears in Collections:	172 Електронні комунікації та радіотехніка (Радіотехніка та робототехнічні системи)
Files in This Item:
File	Description	Size	Format
М_172_Гніденко_Гавриш.pdf Restricted Access		1.44 MB	Adobe PDF	View/Open Request a copy
Show full item record
Extracted text
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ 
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ 
ФАКУЛЬТЕТ ЕЛЕКТРОННИХ ТЕХНОЛОГІЙ, АВТОТРАНСПОРТУ ТА 
МАШИНОБУДУВАННЯ 
КАФЕДРА РОБОТОТЕХНІЧНИХ І ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЙНИХ СИСТЕМ ТА 
КІБЕРБЕЗПЕКИ 
 
До захисту допущено  
завідувач кафедри РТСК 
д.т.н., професор __________  
Володимир ПАЛАГІН  
"_____" грудня 2023 року 
 
 
Пояснювальна записка 
до випускної роботи 
освітнього ступеня «магістр» 
на тему: «Віртуальний інструментарій для моделювання роботи відбивного 
клістрону» 
 
 Виконав студент 2 курсу, групи РТ-025 
Спеціальність – 172 «Телекомунікації та 
 радіотехніка» 
Освітня програма – «Радіотехніка та 
 робототехнічні системи» 
 ГНІДЕНКО Віталій Якович 
 Керівник роботи ГАВРИШ Олександр 
 Рецензент ГАЛЬЧЕНКО Володимир 
 
 
Черкаси 2023 
Форма № Н-9.01 
Черкаський державний технологічний університет 
(назва вузу) 
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування 
Кафедра Робототехнічних і телекомунікаційних систем та кібербезпеки 
Освітній ступінь магістр 
Спеціальність 172 -  Телекомунікації та радіотехніка 
Освітня програма Радіотехніка та робототехнічні системи 
 ЗАТВЕРДЖУЮ 
 Завідувач кафедри РТСК 
 д.т.н., професор Володимир ПАЛАГІН 
   
 «  » вересня  2023 р. 
 
ЗАВДАННЯ 
на дипломний проект (роботу) студенту 
Гніденку Віталію Яковичу 
(прізвище, ім'я, по батькові) 
1. Тема проекту (роботи) Віртуальний інструментарій для моделювання роботи відбивного  
клістрону 
керівник проекту (роботи) Гавриш Олександр Степанович, к.ф.-м.н., доцент 
(прізвище, ім’я, по батькові, науковий ступінь, вчене звання) 
затверджена наказом по університету від « 10 » жовтня          2023 р.  № 271/04 
2. Строк подання студентом проекту (роботи) 1 грудня 2023 р. 
3. Вихідні дані до проекту (роботи)  частота сигналу, що генерується f =9,375 ГГц; 
вихідна потужність Pвих=20-30 мВт; напруга на резонаторі U0=240-400 В; струм в  
ланцюзі аноду I0=25 мА; напруга на відбивачі -Uвідб=50-400 В; діапазон електронного  
налаштування  f=55 МГц.  
4. Зміст розрахунково-пояснювальної записки (перелік питань, які потрібно розробити)______ 
Вступ. 1. Методи дослідження параметрів і характеристик відбивного клістрону.  
2. Методика створення віртуальної електронної лабораторії в інструментальному  
середовищі LABVIEW. 3. Віртуальний інструментарій для дослідження роботи відбивного  
клістрону Висновки. Список використаної літератури 
5. Перелік графічного матеріалу (з точним зазначенням обов’язкових креслень)  
Презентація в Power Point обсягом 13 плакатів 
 
6. Консультанти з проекту (роботи) із зазначенням розділів проекту, що їх стосуються 
  Підпис, дата 
Розділ Прізвище, ініціали та посада  завдання         завдання 
консультанта видав прийняв 
    
    
    
    
    
    
    
 
7. Дата видачі завдання 04 вересня 2023 р. 
 
КАЛЕНДАРНИЙ ПЛАН 
№ Назва етапів дипломного                               С  т  р  о  к   виконання етапів      П   р имітка 
з/п проекту (роботи) проекту (роботи) 
1. Аналіз технічного завдання та огляд літератури 04.09.2023  
2 Розробка методики проведення дослідження 16.09.2023  
3 Отримання попередніх результатів дослідження   
  (вибір математичних моделей) 02.10.2023  
4 Створення підпрограм і віртуального    
 інструментарію, що імітує роботу відбивного   
 клістрону 16.10.2023  
5. Оформлення пояснювальної записки 01.11.2023  
6. Оформлення плакатів 26.11.2023  
    
    
    
    
   
 
 Студент   ГНІДЕНКО Віталій  
  (підпис) (прізвище та ініціали) 
Керівник проекту (роботи)   ГАВРИШ Олександр 
  (підпис) (прізвище та ініціали) 
 
ЗМІСТ 
Стор. 
Вступ 4 
1. МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ ПАРАМЕТРІВ І ХАРАКТЕРИСТИК  
ВІДБИВНОГО КЛІСТРОНУ 6 
1.1 Принцип дії відбивного клістрону, його основні параметри та  
характеристики 6 
1.2 Опис лабораторної установки для дослідження відбивного клістрону 12 
1.3 Програмні засоби імітаційного моделювання роботи відбивного  
клістрону 15 
2. МЕТОДИКА СТВОРЕННЯ ВІРТУАЛЬНОЇ ЕЛЕКТРОННОЇ  
ЛАБОРАТОРІЇ В ІНСТРУМЕНТАЛЬНОМУ СЕРЕДОВИЩІ LABVIEW  22 
2.1 Загальні відомості про програмно-інструментальне середовище  
LabVIEW 22 
2.2 Лицьова панель і вікно блок-діаграми 26 
2.3 Графічні можливості програми LabView 35 
3. ВІРТУАЛЬНИЙ ІНСТРУМЕНТАРІЙ ДЛЯ ДОСЛІДЖЕННЯ РОБОТИ  
ВІДБИВНОГО КЛІСТРОНУ 37 
3.1 Допоміжний інструментарій «Центри зон генерації» 37 
3.2 Допоміжний віртуальний інструментарій «Вихідна потужність» 42 
3.3 Допоміжний віртуальний інструментарій «Електронне налаштування  
частоти» 46 
3.4 Віртуальний інструментарій «Відбивний клістрон» 50 
Висновки 59 
Список використаної літератури 61 
 
 
ВСТУП 
 
Актуальність роботи. В процесі навчання студент осягає теорію і практику 
інженерних дисциплін. Лекційні і семінарські заняття відповідно повинні 
забезпечувати формування і розвиток абстрактного інженерного мислення. 
Практичні знання і навики майбутній інженер одержує головним чином в процесі 
виконання лабораторного практикуму, в ході якого формується практичне мислення 
інженера. 
Лабораторна і експериментальна база вузу достатньо консервативна через 
фінансові і матеріальні обмеження. Тому вона практично не встигає відстежувати 
бурхливий розвиток техніки і неминуче морально застаріває. У сучасних умовах, що 
швидко змінюються, реальна лабораторна і експериментальна база вузу не в змозі 
підтримувати учбовий процес на належному рівні. Слід також відзначити, що 
відставання матеріальної бази від вимог життя є не тільки вузівською проблемою, 
але і загальною проблемою в промисловості і для різних організацій і фірм, що 
займаються розробками нової техніки. 
Сучасна технологія віртуальних приладів дозволяє істотно скоротити цей 
розрив і заощадити значні фінансові ресурси, не знижуючи якості навчання. Світова 
вузівська практика підтверджує стійку тенденцію просування віртуальних технологій 
в учбовому процесі. Програмне середовище LabVIEW, що підтримує технологію 
віртуальних приладів, і відповідне апаратне забезпечення дозволяють модернізувати 
учбові лабораторії гнучким, програмно корегованим, вимірювальним устаткуванням 
або модернізувати наявні засоби вимірювань практично будь-якої складності, а 
також упроваджувати автоматизовані вимірювальні системи і станції для учбового 
процесу і комплексних досліджень у вузівській науці. В зв’язку з цим розробка 
віртуальних лабораторних стендів, зокрема для дослідження НВЧ приладів, є 
актуальною задачею. 
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами темами. Дана робота 
виконується в рамках науково-методичної роботи, що проводиться 
співробітниками кафедри РТСК. 
Мета і завдання дослідження. Метою даної роботи є модернізація 
віртуального інструментарію в середовищі LabVIEW для імітаційного 
моделювання генератора на відбивному клістроні. 
Поставлена мета досягається розв’язком таких завдань: 
• дослідити фізичну лабораторну установку-прототип, на якій проводяться 
лабораторні заняття; 
• провести огляд програмних засобів моделювання НВЧ приладів, і вибрати 
середовище для реалізації віртуального інструментарію; 
• обрати математичні моделі, що описують роботу відбивного клістрона і 
узгодити їх з фізичною установкою-прототипом; 
• модернізувати віртуальний інструментарій за рахунок введення 
додаткового вхідного параметру - номеру зони генерації. В цьому випадку 
вихідні дані будуть обчислюватися для конкретного значення n і будуть 
представлені лише чотирма вихідними індикаторами (замість 15-ти). 
Наукова новизна одержаних результатів. В даній роботі в середовищі 
LabVIEW модернізовано віртуальну лабораторну установку для дослідження 
параметрів і характеристик відбивного клістрона. 
Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що розроблені 
імітаційні моделі дозволяють організувати лабораторну роботу «Дослідження 
генератора на відбивному клістроні» з вибіркової дисципліни «Електронні та 
квантові прилади НВЧ», забезпечуючи при цьому достатньо високу достовірність 
результатів, простоту проведення експерименту і наочність представлення 
результатів імітаційного моделювання. Віртуальна установка дублює можливості 
свого фізичного прототипу, відповідно методика досліджень не змінюється, при 
цьому додатково з’являється можливість проводити дистанційне навчання 
студентів. 
 
 
1. МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ ПАРАМЕТРІВ І ХАРАКТЕРИСТИК  
ВІДБИВНОГО КЛІСТРОНУ 
 
1.1 Принцип дії відбивного клістрону, його основні параметри та 
характеристики 
 
Відбивні клістрони є малопотужними генераторами гетеродинного класу в 
області частот від 0,8 до 220 ГГц. Незважаючи на те, що в даний час вони 
відчувають сильну конкуренцію з боку напівпровідникових генераторів НВЧ і не 
вважаються перспективними, їхнє виробництво і застосування майже не 
скорочується. 
Основними достоїнствами відбивних клістронів є простота їхнього 
виготовлення, малі вартість і розміри, а також висока надійність. Вони 
відрізняються стабільністю високочастотних характеристик і параметрів, на які 
слабко впливають температура, вібрація і радіація. Їхню частоту досить просто 
переналагодити механічно і електричним шляхом. Схема пристрою та 
електричного живлення відбивного клістрона наведена на рис.1.1. Клістрон 
складається з групувача електронів (катод К, прискорюючий електрод ПЕ, 
резонатор Р (С1 – сітка 1, С2 – сітка 2)) і негативного електрода-відбивача, на 
який електрони не попадають (роль колектора виконує все той же резонатор). 
Відбивач 
Рвих 
С2 
 
Uвідб Р С1 
ПЕ 
 
Uо 
К 
 
Рисунок 1.1 – Схема відбивного клістрона 
 
Принцип дії відбивного клістрона заснований на відборі НВЧ енергії від 
електронних згустків, сформованих у просторі «сітка 2 – відбивач» за допомогою 
постійної негативної напруги Uвідб і НВЧ напруги прикладеної між сітками. 
Електрони, що вилетіли з катода і прискорені електричним полем між 
катодом і резонатором Uо, рухаються крізь сітки 1 і 2 резонатора. Між сітками є 
електричне НВЧ поле, що у залежності від його напрямку в момент вльоту 
електронів у простір між сітками прискорює одні електрони і сповільнює інші. 
На відбивач подається негативна відносно катода напруга Uвідб, що 
сповільнює електрони і повертає їх назад у простір між сітками. При визначеному 
співвідношенні напруг Uо і Uвідб сповільнені електрони будуть попадати в простір 
між сітками разом із прискореними електронами, які вилетіли з катоду пізніше, 
утворюючи ущільнення просторового заряду – згустки електронів. Якщо в 
момент повернення електронів у простір між сітками електричне поле буде їх 
прискорювати, то енергія СВЧ передається електронам. Однак при підібраному 
співвідношенні Uо і Uвідб НВЧ поле буде сповільнювати електрони, тобто 
електрони будуть віддавати свою кінетичну енергію полю – відбувається 
підсилення НВЧ коливань.  
Електрони групуються в постійному гальмуючому полі простору між 
резонатором і відбивачем. На просторово-часовій діаграмі (рис. 1.2, а) відзначені 
найбільш характерні електрони 1—4, що пролітають зазор резонатора при 
максимальних і нульових значеннях високочастотної напруги. Рух електронів у 
постійному гальмуючому полі після резонатора на просторово-часовій діаграмі 
показано параболічними кривими. Рух електронів можна вважати 
рівноуповільненим чи рівноприскореним, якщо не враховувати дії сил 
просторового заряду між резонатором і відбивачем. Електрон 1, що одержав 
максимальне додаткове прискорення в резонаторі, ближче усіх підлітає до 
відбивача до повної зупинки. Раніш усіх повертається в зазор резонатора електрон 
3, швидкість якого зменшується при прямому прольоті резонатора, оскільки на 
нього діє максимальне гальмуюче високочастотне поле. 
У результаті швидкісної модуляції електрони 1 і 3 групуються навколо 
електрона 2, що пролітає резонатор у момент зміни фази високочастотної напруги 
від прискорюючої на гальмуючу. 
Відбивач 
1 2 3 4 t 
Резонатор 
а) 
 
Відбивач 
z 
n=0 n=1 n=2 
t 
3Т/4 
7Т/4 
11Т/4 
 
Рисунок 1.2 – Просторово-часова діаграма відбивного клістрона 
 
Зворотний зв'язок у відбивному клістроні здійснюється за допомогою 
електронного потоку, що повертається в резонатор. При позитивному зворотному 
зв'язку електронні згустки повертаються в гальмуючий напівперіод 
високочастотної напруги в зазорі резонатора (рис.1.2, б). Варто звернути увагу на 
те, що цей напівперіод є прискорюючим для електронів, що пролітають резонатор 
у прямому напрямку. Умови існування позитивного зворотного зв'язку, що 
визначають фазові умови самозбудження, залежать від значення постійної 
напруги на відбивачі, тобто від напруженості постійного гальмуючого поля При 
виконанні фазових умов самозбудження електрони 4, що не попадають в 
електронні згустки (рис.1.2, а), є «несприятливими», тому що вони забезпечують 
негативний зворотний зв'язок і відбирають енергію від електромагнітного поля 
резонатора. Ці електрони, а також електрони, що вилетіли з резонатора в межах 
чверті періоду раніше і пізніше електронів 4, у відбивному клістроні не вдається 
згрупувати в загальний згусток. 
Наявність великого числа «несприятливих» електронів, застосування того 
самого резонатора для модуляції і відбору енергії від електронів, а також 
використання його як колектор не дозволяють одержувати у відбивному клістроні 
високий к.к.д. і великі вихідні потужності. Однак безсумнівним достоїнством 
однорезонаторного клістроного генератора є простота конструкції, живлення та 
експлуатації (особливо при механічному перестроюванні частоти в широких 
межах). 
Розглянемо основні характеристики відбивного клістрона. 
На рис.1.2,б показані просторово-часові діаграми електрона 2, що є центром електронного 
згустку, при різних умовах позитивного зворотного зв'язку. Очевидно, фазові умови 
самозбудження щонайкраще задовольняються, коли час прольоту електрона в просторі 
резонатор – відбивач  
 
τopt = (n + 3 4)T                                               (1.1) 
 
де n = 0, 1, 2, ... – ціле число, що визначає номер зони генерації відбивного 
клістрона. 
Оптимальний час прольоту, протягом якого формуються електронні згустки, 
залежить від напруги на відбивачі: чим менше за абсолютним значенням напруга 
відбивача, тим довше електрони знаходяться в постійному гальмуючому полі, де 
відбувається їхнє групування, тим вище номер зони генерації. Таким чином, при 
зміні напруги на відбивачі виникають дискретні зони генерації (рис.1.3). У 
проміжках між зонами потужність, що генерується, падає до нуля. У центрі цих 
зон, обумовлених виразом (1.1), потужність генерації має максимальне значення. 
f 
Рген 
f 
Рген 
n=4 n=3 n=2 n=1 
0 Uвідб 
 
Рисунок 1.3 – Зони генерації відбивного клістрона 
 
Номер зони генерації n можна розрахувати за формулою  
 
U
n = 0 +1,4U відб1 − 0,4U відб 2 ,                                    (1.2) 
U відб 2 −U відб1
 
де U відб1  і U відб 2  - величини напруги на відбивачі, що відповідають центрам n-й та 
(n+1)-й зонам. Для одержання номера зони генерації значення n, розраховане за 
формулою (1.2), необхідно збільшити до найближчого цілого числа. 
У межах кожної зони генерації має місце електронне перестроювання 
частоти (рис. 1.3). 
Важливим параметром, що характеризує електронне перестроювання 
частоти, є крутизна електронного перестроювання на ділянці лінійної зміни 
частоти поблизу центра зони генерації. Під крутизною електронного 
перестроювання розуміють зміну частоти коливань, що генеруються, при зміні 
напруги відбивача на 1 В. Формула для розрахунку крутизни електронного 
перестроювання має вид: 
f (n + 0,4)πf
S = = 0 ,                            (1.3) 
U відб Q(U
U =U відб +U0 )
відб відб1
 
де Q - значення навантаженої добротності коливної системи.  
Максимальна крутизна електронного перестроювання досягається при 
найбільш високих значеннях n, можливих для даного клістрона. Зі зменшенням 
номера зони  крутизна електронного перестроювання падає, як показано на 
рис.1.3. Така залежність пояснюється тим, що зі збільшенням n електрони 
ближче підлітають до відбивача і зміна напруги на ньому сильніше 
позначається на тривалості їхнього перебування в просторі резонатор-відбивач.  
Відбивні клістрони можуть застосовуватись для побудови: 
• гетеродинів НВЧ приймачів;  
• вимірювальних генераторів;  
• малопотужних передавачів в радіорелейній, радіонавігаційній і телевізійній апаратурі; 
• генераторів накачування для параметричних підсилювачів.  
 
1.2 Опис лабораторної установки для дослідження відбивного 
клістрону 
 
Лабораторна робота «Дослідження відбивного клістрону» є типовою і 
служить для поглиблення та закріплення теоретичних знань з дисципліни 
«Електронні та квантові прилади НВЧ». Метою роботи є ознайомлення з 
принципом дії, побудовою і основними електричними характеристиками 
відбивного клістрону. 
На рис. 1.4 зображена загальна функціональна схема лабораторної 
установки. Досліджуваний автогенератор на клістроні (поз.1) вставляється в 
хвилевід. Живлення клістрона здійснюється від джерела живлення ВУП-2 (поз.2). 
Напруга відбивача і резонатора встановлюється і контролюється по вольтметрах 
М2044 (поз.3 та 4). НВЧ коливання, що генеруються клістроном, проходять через 
резонансний частотомір Ч2-32 (поз.5).  
1 5 6 7 
   
8 
3 4 
 
2 
 
Uвід U0 
бр 
 
Рис. 1.4 – Функціональна схема лабораторної установки 
 
Повільно змінюючи показання хвилеміра добиваються того, щоб частота 
коливань, що генеруються клістроном співпала з резонансною частотою, яка 
встановлена на частотомірі. Збіг частот фіксується за показаннями 
мікроамперметра, який також входить в склад частотоміру. Далі через 
розв’язуючий атенюатор Д3-33А (поз.6) НВЧ потужність потрапляє в термісторну 
камера М5-42 (поз.7), а звідки на вимірювач потужності М3-22А (поз.8).  
При виконанні лабораторної роботи рекомендується виконувати дії в 
наступному порядку: 
1. Зібрати схему лабораторної установки. 
2. З дозволу викладача включити вимірювач потужності і підготувати його до 
роботи. 
3. Включити блок живлення. Встановити по вольтметру напругу на резонаторі 
U0=300 В. Повільно змінюючи напругу на відбивачі, установити Uвідб, що 
відповідає центру зони генерації (-Uвідб=100…150 В). Настроювання на центр 
зони генерації фіксувати по максимальному значенню вихідної потужності 
(поз.8). 
4. Змінюючи напругу на відбивачі в межах 10…400 В, зняти залежності 
Pген = f (U відб )  і f = f (U відб ) . Для кожної зони генерації зняти 3-5 точок. 
Побудувати графіки знятих залежностей. Під час вимірів стежити за сталістю 
напруги на резонаторі U0=300 В. 
5. Користуючись формулою (1.2) визначити номера знятих зон генерації і 
позначити їх на графіках Pген = f (U відб )  і f = f (U відб ) .  
6. По кривій f = f (U відб )  з даних, знятих поблизу центра робочої зони, знайти 
значення похідної f U відб  і за формулою (1.3) обчислити значення 
Uвідб=Uвідб1
навантаженої добротності Q.  
7. Зняти і побудувати графіки областей генерації U 0 = f (U відб ) . Для цього при 
постійній напрузі на резонаторі (U0 = const ) визначити напруги на відбивачі, 
що відповідають точкам виникнення генерації, зриву генерації і максимуму 
вихідної потужності. 
Залежність U 0 = f (U відб )  знімати при різних напругах на резонаторі в межах 
240…400 В через 20 В. 
В роботі використовується відбивний клістрон з параметрами: 
• робочий діапазон хвиль      f=8,5-9,6 ГГц 
• потужність, що генерується     Pвих=20-30 мВт 
• напруга, що прискорює      U0=300 В 
• струм в ланцюзі аноду (електроду, що прискорює) I0=25 мА 
• напруга на відбивачі      Uвідб=130-185 В 
• діапазон електронного настроювання                             f=55 МГц 
• крутизна електронного настроювання             S=2,2 МГц/В 
• номер робочої зони       n=6 або 7 
 
 
1.3 Програмні засоби імітаційного моделювання роботи відбивного 
клістрону 
 
Електромагнітний аналіз є основною метою програм електродинамічного 
моделювання. Наявність статичних електричних і магнітних полів стає причиною 
вторинних ефектів: наведень струмів на поверхнях, викривлення траєкторій 
частинок у просторі та ін. Втрати в металах і діелектриках викликають прогрів 
або навіть теплове руйнування структури. Сили, що при цьому виникають, 
можуть деформувати структуру і змінити її електромагнітні характеристики, 
наприклад, розладнати об'ємний фільтр.  
Багато НВЧ-приладів – електронні лампи, магнетрони, клістрони працюють 
так, що переносником енергії в електромагнітному поле стають частинки. 
Частинки – носії енергії. Сума часток несе сумарну енергію. Потужність є 
похідною енергії за часом.  
Сучасні програми: HFSS ANSYS, CST STUDIO SUITE, COMSOL та ін. 
мають набір обчислювальних модулів, призначених для аналізу стаціонарних чи 
перехідних теплових процесів (у тому числі й у біологічних середовищах), а 
також механічних навантажень. Усі обчислювачі щільно інтегровані у потік 
проектування та забезпечують достовірний мультифізичний аналіз. Процес 
проектування радіотехнічних пристроїв у сукупності фізичних умов та 
властивостей називається мультифізичним аналізом.  
Розв'язання мультифізичної задачі тісно пов'язане з методом передачі даних 
від одного завдання до іншого. Так, у мультифізичній задачі знаходження 
теплового розподілу в біологічному об'єкті при опроміненні його радіотехнічними 
засобами першому етапі розраховується потужність втрат в середовищі, і потім ця 
потужність стає джерелом тепла і розраховується розподіл теплових потоків.  
Потік даних від одного розв'язаного завдання (наприклад, знаходження 
електромагнітного поля) передається до іншого завдання (наприклад, завдання 
поширення потоків частинок) через файл або за допомогою вибору установки.  
Наприклад, при розрахунку феритового циркулятора на першому кроці 
розраховується властивості середовища (фериту), і ці дані записуються в файл з 
описом анізотропного середовища для наступного, на другому кроці, розв'язання 
задачі поширення ЕМ поля каналами циркулятора. При розв'язанні задачі падіння 
частинок на об'єкт, що накопичує втрати, це накопичення здійснюється за період 
заданого часу. Потім ця потужність втрат стає джерелом тепла і вирішується 
завдання поширення тепла на поверхні та у матеріалі.  
Завдання аналізу можливого пробою в НВЧ приладах (мультипакція) 
вирішується з урахуванням зв'язку полів і викривленого руху часток, що 
поширюються.  
За допомогою вбудованих фізичних інтерфейсів у сучасних програмах та 
повного опису властивостей матеріалів, можна створити моделі, що описуються 
такими різноманітними фізичними величинами, як характеристики матеріалів – 
щільність, пружність; навантаження; граничні умови; джерела тепла та теплові 
потоки. Можна застосувати змінні, вирази або задані константи безпосередньо в 
областях твердих і рідких тіл, на межах, ребрах і точках, незалежно від сітки 
розбиття. Після цього мультифізична програма, як CST SUITE або Comsol 
Multyphysics компілює систему рівнянь, що представляють всю модель.  
За допомогою цих додатків користувачі, які навіть не мають достатньої 
технічної підготовки, щоб створювати моделі, можуть легко проводити віртуальні 
випробування при різних змінах проекту, виходячи з їх власних завдань.  
В університетському середовищі застосовується те ж програмне 
забезпечення, щоб знайомити студентів із мультифізичним моделюванням та 
розробкою додатків. Використання програм COMSOL дає студентам можливість 
познайомитися з чисельним аналізом та фізичними системами перед тим, як вони 
приступлять до розробки власних моделей з нуля. Після того, як студенти 
достатньо ознайомляться з принципами та методами моделювання, вони можуть 
створювати в середовищі розробки додатків власні додатки, поглиблюючи свої 
знання та розширюючи можливості спільного аналізу.  
Але тепер можна створювати цікаві програми для моделювання саме з 
такими характеристиками, які хотілося б запропонувати студентам для вивчення. 
Тільки після того, як їм представиться можливість спочатку ознайомитися з 
додатками для аналізу фізичних процесів, що відбуваються, і для розуміння того, 
до чого призводять різні фізичні умови роботи пристроїв.  
Революція у зростанні обчислювальної потужності комп'ютерів та 
суперкомп'ютерів справила революцію і в програмах для інженерів та 
дослідників. Більшість НВЧ електромагнітних завдань потенційно піддаються 
електродинамічному рішенню, як у частотній, так і в часовій області.  
Важливою метою проектування є реалізація процесу оптимізації, 
використовуючи методи електродинамічного моделювання.  
Сучасні комерційні пакети починають пропонувати більше одного методу 
розрахунку в одному інтерфейсі користувача. Вибираючи відповідний метод під 
конкретне завдання, робота в єдиному інтерфейсі користувача буде набагато 
простіше для користувачів, і використовує всю силу електродинамічних методів 
розрахунку.  
Сучасні програми: HFSS ANSYS, CST, FEKO, COMSOL та ін. мають набір 
обчислювальних модулів, призначених для аналізу та моделювання НВЧ 
структур, що входять до НВЧ системи. Це завдання поширення електромагнітних 
хвиль, задачі електромагнітної сумісності, теплові завдання та завдання, пов'язані 
з механічними навантаженнями на системи.  
При імітаційному моделюванні роботи електронних НВЧ приладів 
використовуються такі основні різновиди програм: 
1) універсальні програми для математичних розрахунків, такі як 
MATHCAD, MATHLAB, Mathematica та інші [2-4];  
2) спеціалізовані програми, створені для моделювання вузького класу 
приладів [5]; 
3) програми, що замінюють вимірювальну установку, так звані віртуальні 
прилади [6, 7]. 
Існують універсальні програмні засоби моделювання роботи електронних 
приладів, в тому числі НВЧ діапазону, що можуть ефективно використовуватися 
для імітації їх роботи і розрахунку основних параметрів і характеристик. Знаючи 
математичну модель, можна, реалізувавши її програмно, отримати вихідні 
характеристики приладу для певних значень вхідних параметрів. Пакети MatLab, 
Simulink, MathCad, MathConex є зручним середовищем для розробки та відладки 
моделей НВЧ приладів, зокрема відбивного клістрона, та аналізу електронних 
пристроїв.  
Наскільки розумно застосовувати Mathcad, MatLab та і інші системи 
комп'ютерної математики для моделювання електронних НВЧ приладів?  
Відповідь на це питання досить проста – системи комп'ютерної математики 
треба застосовувати тоді, коли користувача цікавлять фізичні і математичні деталі 
моделювання, а також коли в схемах використовуються специфічні прилади, 
засновані на незвичайних фізичних явищах. Відбивний клістрон лише один з 
багатьох таких приладів. Можна згадати і масу інших приладів – магнетрон, 
лампи біжної та зворотної хвилі, прольотний клістрон, діоди Ганна і т.д. В інших 
же випадках, безумовно, краще використовувати спеціальні програми 
моделювання. 
Існують оригінальні пакети для моделювання генераторів і підсилювачів 
НВЧ діапазону з електронним пучком – ЛБХ, ЛЗХ, клістронів, гіротронів. 
Електродинамічні системи таких приладів характеризуються наявністю складної 
геометрії і вимагають високої точності розрахунку. Існуючі аналітичні методи 
дослідження в більшості практичних додатків володіють значною погрішністю 
рішень, тому можуть бути використані тільки для оцінки. Забезпечити 
прийнятний рівень точності розрахунку при побудові сучасних НВЧ приладів 
можуть тільки чисельні методи. Серед них важливу роль грають методи аналізу 
електродинамічних систем, тобто знаходження розв’язку рівнянь 
електродинаміки за наперед заданих початкових і граничних умов. Більшість 
чисельних методів володіють поряд недоліків, що обмежують область їх 
застосування. Тому завдання пошуку «універсального» чисельного методу аналізу 
є актуальним. Розширити область застосування можливо за рахунок прямої 
інтеграції системи рівнянь Максвела і розрахунку всіх шести компонент 
електромагнітного поля, що змінюються в часі. До недавнього часу невисокий 
рівень розвитку комп'ютерної техніки не дозволяв широко використовувати 
подібні методи із-за високих вимог до обчислювальних ресурсів. Зараз дане 
обмеження зняте, і використовуваний в роботі [5] метод FDTD (Finite Difference 
Time Domain, метод кінцевих різниць в часовій області) дозволяє одержувати 
результати з прийнятною точністю для широкого круга завдань. Основною 
перевагою методу FDTD є його працездатність в областях, недоступних іншим 
чисельним методам.  
З моменту появи методу FDTD в 1966 р. і по сьогоднішній день в світі було 
випущено декілька тисяч робіт, присвячених різним його аспектам. Існують 
докладні огляди, створені спеціалізовані бібліографічні бази даних, вишли 
монографії. На жаль, публікації вітчизняних авторів з даної тематики вельми 
нечисленні, що, ймовірно, пояснюється малою доступністю могутніх ЕОМ, 
необхідних для повномасштабної реалізації методу. Тому, рішення практичних 
задач для електронних НВЧ приладів з використанням новітніх технологічних 
досягнень в методі FDTD, у тому числі і власних, є актуальним. Існуючі 
вітчизняні програмні продукти, що реалізовують метод FDTD (наприклад, 
KARAT, IRE), написані для вирішення вузького круга конкретних фізичних 
завдань і, на жаль, не орієнтовані на масове розповсюдження. При цьому 
пропоновані західними фірмами комерційні універсальні програмні продукти, що 
використовують FDTD (наприклад, CST Microwave Studio, CFDTD, MAGIC), 
коштують десятки-сотні тисяч доларів. Очевидно, що розробка 
конкурентоздатних вітчизняних програмних продуктів, що дозволяють 
прискорити процес розрахунку при збереженні точності результатів і забезпечити 
можливість масового використання, є перспективною.  
LabVIEW – є ідеальним програмним засобом для створення систем 
вимірювання, а також систем автоматизації управління на основі технології 
віртуальних приладів. Сфера застосування LabVIEW безперервно розвивається. У 
освіті вона включає лабораторні практикуми по електротехніці, механіці, фізиці. 
У інженерній практиці – об'єкти промисловості, транспорту, зокрема повітряного, 
підводного і надводного флотів, космічні апарати. Перевагою даного програмного 
продукту є висока наочність отримуваних результатів, що дозволить студентам на 
більш високому якісному рівні закріпити теоретичний матеріал і здобути 
практичні навички.  
В роботі [5] описується віртуальний стенд для дослідження відбивного 
клістрону, який обрано в якості прототипу (рис.1.5). Установка дозволяє за 
заданими значеннями напруги на резонаторі та зміні напруги на відбивачі 
обчислювати напругу відбивача в центрах зон генерації, вихідну потужність та 
електроне налаштування частоти приладу. Недоліком стенду є надмірна кількість 
вихідних параметрів, оскільки результати розраховуються відразу для всіх зон 
генерації. 
 
Рисунок 1.5  – Лицьова панель ВІ «Відбивний клістрон» 
 
В даній роботі пропонується розширити кількість вхідних параметрів, за 
рахунок введення номеру зони генерації. В цьому випадку вихідні дані будуть 
обчислюватися для конкретного значення n і будуть представлені лише чотирма 
вихідними індикаторами (замість 15-ти). Для розуміння повної картини роботи 
приладу і динаміки зміни параметрів пропонується автоматична побудова 
графічних залежностей вихідної потужності та частоти від напруги на відбивачі. 
При цьому будуються лише частина графіків для обмеженої кількості зон 
генерацій, а решту студент має побудувати самостійно на основі вимірювань, 
отриманих за допомогою стенду.  
 
 
2. МЕТОДИКА СТВОРЕННЯ ВІРТУАЛЬНОЇ ЕЛЕКТРОННОЇ 
ЛАБОРАТОРІЇ В ІНСТРУМЕНТАЛЬНОМУ СЕРЕДОВИЩІ LABVIEW  
 
2.1 Загальні відомості про програмно-інструментальне середовище 
LabVIEW 
 
LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) – 
середовище прикладного графічного програмування, використовуване як 
стандартний інструмент для проведення вимірювань, аналізу їх даних, 
подальшого управління приладами і досліджуваними об'єктами. 
Програма, написана в середовищі LabVIEW, називається віртуальним 
приладом (ВП). ВП симулюють реальні фізичні прилади, наприклад, осцилограф 
або мультиметр. LabVIEW містить повний набір інструментів для збору, аналізу, 
представлення і зберігання даних. 
У LabVIEW інтерфейс користувача – лицьова панель створюється за допомогою 
елементів управління (кнопки, перемикачі і ін.) і відображення (графіки, світлодіоди і 
ін.). Після цього на блок-діаграмі ВП здійснюється програмування з використанням 
графічних представлень функцій для управління об'єктами на лицьовій панелі. 
LabVIEW використовується для програмування різних DAQ-пристроїв, 
систем контролю зображення і руху, апаратних засобів, що мають інтерфейси 
типу GPIB, VXI, PXI RS-232 і RS-485. За допомогою програмного середовища 
LabVIEW можна розробляти програмно-апаратні комплекси для тестування, 
вимірювання, введення даних, аналізу і управління зовнішнім устаткуванням.  
ВП складається з чотирьох основних компонентів – лицьової панелі, блок-
діаграми, ікони і сполучної панелі.  
Лицьова панель – це інтерфейс користувача ВП. Приклад лицьової панелі 
представлений на рис.2.1, а. 
Лицьова панель створюється з використанням палітри Елементів 
(Controls). Ці елементи можуть бути або засобами введення даних – елементи 
Управління, або засобами відображення даних – елементи Відображення. 
Елементи Управління – кнопки, перемикачі, повзунки і інші елементи вводу. 
Елементи Відображення – графіки, цифрові табло, світлодіоди і т.д. Дані, що 
вводяться на лицьовій панелі ВП, поступають на блок-діаграму, де ВП проводить 
з ними необхідні операції. Результат обчислень передається на елементи 
відображення інформації на лицьовій панелі ВП. 
 
а)                                                 б) 
Рисунок 2.1 – Віртуальний прилад «Градуси в радіани»  
а) лицьова панель; б) структурна схема 
 
Після приміщення елементів Управління або Відображення даних на 
Лицьову панель, вони одержують своє графічне відображення на блок-діаграмі 
(рис.2.1, б). Елемент, створений на лицьовій панелі, неможливо видалити на блок-
діаграмі. Об'єкти блок-діаграми включають графічне відображення елементів 
лицьової панелі, операторів, функцій, підпрограм ВП, констант, структур і 
провідників даних, по яких проводиться передача даних між об'єктами блок-
діаграми. 
 Для використання створеного віртуального приладу усередині 
іншого ВП як підпрограми, після створення лицьової панелі і блок-
 діаграми, необхідно оформити ікону і налаштувати сполучну панель 
(область полів вводу/виводу даних). Підпрограма ВП відповідає 
підпрограмі в текстових мовах програмування. Кожен ВП має 
показану зліва ікону у верхньому правому кутку лицьової панелі і 
блок-діаграми. Ікона – графічне представлення ВП. Вона може 
містити текст і/або рисунок. Якщо ВП використовується як 
підпрограма, ікона ідентифікує його на блок-діаграмі іншого ВП. 
Необхідно також налаштувати показану ліворуч сполучну панель 
 (область полів вводу/виводу даних), щоб використовувати ВП як 
підпрограми. Сполучна панель – це набір полів, відповідний 
елементам вводу/виводу даних цього ВП. Поля вводу/виводу 
аналогічні списку параметрів функції, що викликається, в текстових 
мовах програмування. Область полів вводу/виводу даних дозволяє 
використовувати ВП як підпрограми. ВП одержує дані через поля 
вводу даних і передає їх на блок-діаграму через елементи 
Управління лицьової панелі. Результати відображаються в його 
полях виводу даних за допомогою елементів Відображення лицьової 
панелі. 
Перевага LabVIEW полягає в ієрархічній структурі ВП. Створений 
віртуальний прилад можна використовувати як підпрограму на блок-діаграмі ВП 
вищого рівня. Кількість рівнів в ієрархії не обмежена. Використання підпрограми 
ВП допомагає швидко змінювати і відладжувати блок-діаграму. 
При створенні ВП слід звернути увагу на те, що деякі операції багато разів 
повторюються. Для виконання таких операцій необхідно використовувати 
підпрограми ВП або цикли. 
У середовищі LabVIEW використовується потокова модель обробки даних. 
Вузли блок-діаграми виконують закладені в них функції, якщо дані поступили на 
всі необхідні поля вводу/виводу. Після закінчення виконання операції одним 
вузлом результати операції по провідниках даних передаються наступному вузлу і 
т.д. Іншими словами, готовність вхідних даних визначає послідовність виконання 
вузлів блок-діаграми.  
Діалогове вікно LabVIEW містить наступні компоненти: 
• Панель меню із стандартними пунктами, наприклад FileExit 
• Набір кнопок для створення і відкриття ВП, конфігурації пристроїв DAQ, 
пошуку корисної інформації. 
• Кнопка New – створення нового ВП. Стрілка поряд з кнопкою 
використовується для відкриття порожнього ВП або відкриття діалогового 
вікна New. 
• Кнопка Open – відкриття створеного раніше ВП. Стрілка поряд з кнопкою 
призначена для відкриття того, що недавно використалося ВП. 
• Кнопка Сonfigure –  настройка пристроїв DAQ. Стрілка поряд з кнопкою   
конфігурація LabVIEW. 
• Кнопка Help  — запуск LabVIEW Help (вбудованої допомоги). Стрілка 
поряд з кнопкою  — для вибору опцій допомоги. 
2.2 Лицьова панель і вікно блок-діаграми 
 
Після натиснення кнопки Blank VI з'являється вікно лицьової панелі. Це 
одне з двох вікон LabVIEW, використовуваних для створення ВП. Інше вікно 
містить блок-діаграму. Наступна ілюстрація демонструє лицьову панель і 
відповідну їй блок-діаграму: 
1 9 
2 2 
3 
10 
2 11 
12 
4 
 
 
5 13 
14 
6 15 
7 16 
17 
8 
  
Рисунок 2.2 – Лицьова панель і відповідна їй блок-діаграма 
 
На рисунку 2.2 використовуються такі позначення 
1. Інструментальна панель 
2. Власна мітка 
3. Цифровий елемент управління 
4. Вільна мітка 
5. Термінал даних цифрового елементу управління 
6. Термінал даних кнопки 
7. Числова константа 
8. Функція Множення 
9. Ікона 
10. Ручка управління 
11. Панель управління графіком 
12. Двукоординатний графік осцилограм 
13. Провідники даних 
14. Термінал даних графіка осцилограм 
15. Функція Об'єднання (Bundle) 
16. Підпрограма  ВП 
17. Цикл з фіксованим числом ітерацій (For) 
Інструментальна панель використовується для запуску і редагування ВП. 
Приклад інструментальної панелі показаний нижче. 
Кнопка запуску Run – запускає ВП  
 
Під час роботи ВП кнопка Run міняє свій вигляд, як показано зліва, 
 
якщо цей віртуальний прилад високого рівня. 
Якщо ВП працює як підпрограма, то кнопка Run виглядає, як показано 
 
зліва. 
Кнопка Run виглядає у вигляді «зламаної» стрілки, як показано зліва, 
 
під час створення або редагування ВП. У такому вигляді кнопка 
показує, що ВП не може бути запущений на виконання. Після 
натиснення цієї кнопки з'являється вікно Error list, в якому 
перераховані допущені помилки. 
Кнопка безперервного запуску Run Continuously – ВП виконується до 
 
моменту примусової зупинки. 
Під час виконання ВП з'являється кнопка Abort Execution. Ця кнопка 
 
використовується  для негайної зупинки виконання ВП. 
Кнопка Pause припиняє виконання ВП. Після натиснення кнопки Pause 
 
LabVIEW підсвічує на блок-діаграмі місце зупинки виконання. 
Повторне натиснення – продовження роботи ВП.  
У меню Align Objects проводиться вирівнювання об'єктів по осях (по 
 
вертикалі, по осях і т.д.). 
У меню Distribute Objects проводиться вирівнювання об'єктів в 
 
просторі (проміжки, стиснення і т.д.). 
У меню Resize Objects проводиться приведення до одного розміру 
 
багато разів використовуваних об'єктів лицьової панелі. 
Меню Reorder використовується при роботі з декількома об’єктами, 
 
які накладаються один на інший. Виділивши один з об’єктів за 
допомогою інструмента ПЕРЕМІЩЕННЯ, в меню Reorder слід 
вибрати його порядок відображення на лицьовій панелі. 
 Кнопка Context Help виводить на екран вікно Context Help 
(контекстної довідки) 
T ext Settings – випадне меню установок тексту, включаючи розмір, 
стиль і колір.   
При запуску ВП на блок-діаграмі з'являється показана нижче 
інструментальна панель: 
Кнопка Highlight Execution призначена  для перегляду потоку даних 
 
через блок-діаграму (режим відладки). Повторне натиснення кнопки 
відключає цей режим. 
Кнопка Step Into використовується при покроковому виконанні циклу 
 
від вузла до вузла, підпрограми ВП і т.д. При цьому вузол мигає, 
позначаючи  готовність до виконання. 
Кнопка Step Over дозволяє пропустити в покроковому режимі цикл, 
 
підпрограму і т.д.  
Кнопка Step Out  дозволяє вийти з циклу, підпрограми і т.д. 
 
Вихід з вузла припускає завершення виконання цього вузла в 
покроковому режимі і перехід в наступний. 
Кнопка Warning з'являється, коли є потенційна проблема з блок-
 
діаграмою, але вона не забороняє виконання ВП. Кнопку Warning 
можна активізувати, увійшовши до пункту головного меню 
Інструменти, далі – Опції, Відладка (Tools»Options»Debugging). 
Контекстне меню використовується найчастіше (рис.2.3).  
 
Рисунок 2.3 – Приклад контекстного меню 
 
Всі об'єкти LabVIEW, вільний робочий простір лицьової панелі і блок-
діаграми мають свої контекстні меню. Контекстне меню використовується для 
зміни поведінки об'єктів блок-діаграми і лицьової панелі. Контекстне меню 
викликається клацанням правою кнопкою миші на об'єкті, лицьовій панелі або 
блок-діаграмі. Приклад контекстного меню показаний нижче. 
Головне меню у верхній частині вікна ВП містить пункти загальні з 
іншими додатками, такі як Open, Save, Copy, Paste, а також специфічні пункти 
меню LabVIEW. Деякі пункти головного меню містять відомості про «гарячі» 
клавіші виклику цих пунктів. Меню з'являється у верхній частині екрану. 
• Пункт меню File використовується для відкриття, закриття, збереження і друку 
ВП. 
• Пункт меню Edit використовується для пошуку і внесення змін в компоненти 
ВП. 
• Пункт меню Operate використовується для запуску, переривання виконання і 
зміни інших опцій ВП.  
• Пункт меню Tools використовується для зв'язку з приладами і DAQ 
пристроями, порівняння ВП, формування додатків і конфігурації LabVIEW. 
• Пункт меню Browse використовується для переміщення по ВП і його 
ієрархіях. 
• Пункт меню Window використовується для відображення вікон LabVIEW і 
палітр.  
• Пункт меню Help використовується для отримання інформації про палітри, 
меню, інструменти, ВП і функції, для отримання покрокової інструкції 
використання LabVIEW і інформації про комп'ютерну пам'ять. 
LabVIEW має три допоміжні палітри, використовувані для створення і 
виконання ВП: Tools Palette (Палітра Інструментів), Controls Palette (Палітра 
Елементів) і Functions Palette (Палітра Функцій). Ці палітри можна помістити в 
будь-якому місці екрану. 
Створювати, редагувати і відладжувати ВП можна за допомогою Tools 
Palette (Палітри Інструментів). Палітра Інструментів доступна як на лицьовій 
панелі, так і на блок-діаграмі. Термін інструмент має на увазі спеціальний 
операційний режим курсора миші. При виборі певного інструменту значок 
курсора змінюється на значок даного інструменту. Палітра Інструментів доступна 
через пункт головного меню WindowShow Tools Palette. Палітру Інструментів 
можна розміщувати в будь-якій області робочого простору блок-діаграми і 
лицьової панелі. 
Утримуючи натиснутою клавішу <Shift> і клацнувши правою клавішею 
миші, можна вивести на екран тимчасову версію Tools Palette (Палітри 
Інструментів). 
 
Рисунок 2.4 – Палітра Інструментів 
 
Якщо включений автоматичний вибір інструменту, то при 
 
наведенні курсора на об'єкт лицьової панелі або блок-діаграми 
LabVIEW автоматично вибирає відповідний інструмент з палітри 
Tools (Інструментів). Автоматичний вибір інструментів 
включається натисненням на кнопку Automatic Tool Selection 
палітри Tools або натисненням клавіш <Shift-Tab>. 
Інструмент УПРАВЛІННЯ використовується для зміни значення 
 
елементів управління або вводу тексту. При наведенні курсора на такий 
елемент як строковий елемент управління, значок інструменту 
міняється:  
Інструмент ПЕРЕМІЩЕННЯ використовується для вибору, 
 
переміщення або зміни розмірів об'єктів. При наведенні інструменту на 
об'єкт змінного розміру значок інструменту міняється:  
Інструмент ВВОД ТЕКСТУ використовується для редагування тексту і 
 
створення вільних міток. При створенні вільних міток значок 
інструменту міняється:  
Інструмент З'ЄДНАННЯ створює провідники даних, сполучаючи об'єкти 
 
на блок-діаграмі. 
Інструмент ВИКЛИК КОНТЕКСТНОГО МЕНЮ викликає контекстне 
 
меню відповідного об'єкту по клацанню лівої кнопки миші. 
Інструмент ШВИДКА ПРОКРУТКА ЕКРАНУ використовується для 
 
проглядання вікна без  використання смуги прокрутки. 
Інструмент ВВОД КОНТРОЛЬНОЇ ТОЧКИ дозволяє розставляти 
 
контрольні точки на ВП, функціях, вузлах, провідниках даних, 
структурах і припиняти в них виконання програми. 
Інструмент УСТАНОВКА НАЛАГОДЖУВАЛЬНИХ ІНДИКАТОРІВ дає 
 
можливість досліджувати потік даних в провідниках блок-діаграми. 
Використовується для проглядання проміжних значень за наявності 
сумнівних або несподіваних результатів роботи ВП. 
Інструмент КОПІЮВАННЯ КОЛЬОРУ призначений для копіювання 
 
кольору з подальшою вставкою за допомогою інструменту 
РОЗФАРБОВУВАННЯ. 
Інструменту РОЗФАРБОВУВАННЯ дозволяє змінити колір об'єкту. Він 
тако ж відображає поточний передній план і параметри настройки 
кольору фону. 
Палітра Елементів (Controls) і палітра Функцій (Functions) містять 
розділи, в яких розміщені об'єкти для створення ВП. При натисненні на значок 
розділу, на екран виводиться вікно, що містить його об'єкти. Для використання 
об'єкту палітри слід клацнути на ньому мишею і помістити вибраний об'єкт на 
лицьову панель або блок-діаграму. 
Для переміщення по розділах палітри, вибору елементів, ВП і функцій слід 
використовувати кнопки навігації. Для відкриття ВП можна також клацнути 
правою кнопкою миші ікону ВП на палітрі і вибрати Open VI з контекстного 
меню. 
Палітра Елементів використовується для розміщення елементів управління 
і відображення на лицьовій панелі. Вона доступна тільки на лицьовій панелі. Щоб 
відобразити палітру Елементів, слід або вибрати в пункті головного меню 
Window»Show Controls Palette, або клацнути правою кнопкою миші в робочому 
просторі лицьової панелі. Використовуючи кнопку у верхньому лівому кутку 
палітри, можна зафіксувати її на екрані. За умовчанням палітра Елементів 
з'являється в експрес-вигляді, показаному на рисунку 2.5,а, і містить лише 
найбільш часто використовувані елементи. 
Використовуючи кнопку All Controls, що знаходиться в правому 
нижньому кутку, можна розмістити всі елементи на палітрі. Така палітра, 
показана нижче, є початковою палітрою Елементів. 
    
Рисунок 2.5 – Палітри елементів і функцій 
а) Палітра Елементів     б) Палітра Функцій 
Палітра Функцій використовується для створення блок-діаграми. Вона 
доступна тільки на блок-діаграмі. Щоб відобразити палітру Функцій, слідує або 
вибрати в пункті головного меню WindowShow Functions Palette, або 
клацнути правою кнопкою миші в робочому просторі блок-діаграми (рис.2.5,б).  
Використовуючи кнопку у верхньому лівому кутку палітри можна 
зафіксувати її на екрані. За умовчанням палітра Функцій з'являється в експрес-
вигляді і відображає експрес-ВП.  
 
2.3 Графічні можливості програми LabView  
 
Для наочності отриманих результатів у створених віртуальних приладах 
використовуються графіки. На графіку відображається крива залежності Y 
значень функції від значень X аргументу. Часто необхідно відобразити зміну якої-
небудь скалярної величини Y з часом. В даному випадку вісь X представляє час. 
Для візуального відображення цього випадку використовують графік Діаграм 
(Waveform Chart), або, як його ще називають, Розгортка за часом (рис.2.6).  
 
Рисунок 2.6 – Приклад графіка діаграм 
1. Назва (Label) 
2. Шкала Y (Y-scale) 
3. Шкала X (X-scale) 
4. Панель управління шкалами (Scale legend) 
5. Палітра інструментів для роботи з графіком (Graph palette) 
6. Панель управления графиком (Plot legend) 
 
Найчастіше Графік Діаграм використовують усередині циклів. У них 
зберігаються і відображаються на дисплеї, що постійно оновлюється, дані, які 
були одержані раніше і нові дані по мірі надходження. Графік Діаграм 
(Waveform Chart) розташований на палітрі ControlsGraph. На рис.2.6 
показаний приклад Графіка Діаграм з двома графіками: експериментальні дані і 
їх середнє значення, що змінюється. 
Графік Діаграм використовує три різні режими відображення даних: strip 
chart, scope chart і sweep chart. Режим за умовчанням – strip chart. 
 
Рисунок 2.7 – Приклади різних режимів відображення даних 
 
Завдання режиму здійснюється клацанням правою клавішею миші по 
діаграмі і вибором пункту AdvancedUpdate Mode з контекстного меню. 
Режим strip chart є екраном, що прокручується зліва направо, подібно до 
паперової стрічки. Режими scope chart і sweep chart подібні екрану осцилографа і 
відрізняються більшою швидкістю відображення даних в порівнянні з strip chart. 
У режимі scope chart після досягнення правої межі поле графіка очищається, і 
заповнення діаграми починається з лівої межі. Режим sweep chart, на відміну від 
режиму scope chart, не очищає поле графіка, а відокремлює нові дані від старих 
вертикальною лінією – маркером. 
Для створення діаграм досить з'єднати поле виведення скалярної величини з 
терміналом даних графіка Діаграм. Графік Діаграм може відображати декілька 
графіків. Для об'єднання даних, що відображаються, використовується функція 
Bundle (об'єднати), розташована в палітрі FunctionsCluster.  
Термінал даних графіка Діаграм має кластерний тип даних відповідно до 
поля виводу функції Bundle. Для збільшення кількості полів виводу даних 
функції Bundle необхідно за допомогою інструменту ПЕРЕМІЩЕННЯ змінити 
число її терміналів.  
 
3. ВІРТУАЛЬНИЙ ІНСТРУМЕНТАРІЙ ДЛЯ 
ДОСЛІДЖЕННЯ РОБОТИ ВІДБИВНОГО КЛІСТРОНУ 
 
Метою лабораторної роботи є вивчення роботи відбивного клістрону і 
дослідження за допомогою віртуальної лабораторної установки залежностей її 
характеристик від напруг на резонаторі та відбивачі. 
Ми припускаємо, що лабораторна установка для певного діапазону напруг 
на резонаторі і інтервалу зміни напруги на відбивачі дозволить визначати центри 
зон генерації (напруга на відбивачі), вихідну потужність і електронне 
налаштування частоти в межах відповідної зони. 
Для структуризації програми підготуємо ряд допоміжних віртуальних 
інструментів – СУБВІ (віртуальний субінструмент). 
 
3.1 Допоміжний інструментарій «Центри зон генерації» 
 
По заданій величині напруги на резонаторі необхідно визначити напругу на 
відбивачі, що відповідає певним зонам генерації і описується рівнянням  
 
8m
fD U0
U e
відб =U0 − ,                                        (3.1) 
3
n +
4
 
де U0  - напруга на резонаторі; 
D  - відстань між 2-ю сіткою резонатора і відбивачем (приймемо в даній роботі 
D =3 мм [1]); 
f  - частота сигналу, що генерується (приймемо в даній роботі f =9,375 ГГц); 
m =9,1.10-31 кг; 
e =1,6.10-19 Кл; 
n - номер зони генерації. 
Рівняння (3.1) дещо спроститься, якщо в нього підставити константи m , e  і 
вважати, що частота вимірюється в ГГц, а відстань D  в мм 
 
6,745 fD U
U 0
відб =U0 − ,                                        (3.2) 
3
n +
4
 
В таблиці 3.1 наведені значення Uвідб  для фіксованої напруги U0=300В, що 
відповідають різним значенням n . 
Таблиця 3.1 
Залежність напруги на відбивачі в центрі зони генерації від номеру зони 
n  0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 
Uвідб , -4060 -1570 -890 -571 -388 -268 -185 -122 -74 -35 -5 +21 
В 
З таблиці 3.1 видно, що в даному клістроні при n >10 потенціал відбивача 
по відношенню до катода стає позитивним. Отже, електрони осідають на 
відбивачі і не можуть повертатися в зазор. Таким чином, цей клістрон принципово 
може мати 11 зон генерації (з урахуванням нульової), що підтверджується 
дослідними даними. При використанні лабораторного блоку живлення легко 
реалізувати генерацію з 4 по 8 зону генерації. 9 і 10 зони генерації розглядати не 
будемо, оскільки в роботі передбачене електронне налаштування частоти і 
напруга на відбивачи буде приймати недопустимі значення.  
Створимо в LabVIEW новий прилад, вибравши команди меню File   New 
VI. Створюємо лицьову панель допоміжного інструментарію, або в термінах 
програмного середовища – СУБВІ (СУБ - «допоміжний» + ВІ – «віртуальний 
інструмент»). Зауважимо, що будь-який СУБВІ є допоміжним внутрішнім 
елементом програми, тому оформлення його лицьової панелі не вимагає високої 
наочності та зручності у використанні. 
Ліворуч розмістимо регулятор, що задає напругу на резонаторі (рис.3.1). 
Для цього з палітри Numeric перемістимо на лицьову панель регулятор 
Horizontal Pointer Slide. При цьому в мітку регулятора внесемо його назву. Після 
клацання правою кнопкою миші на регуляторі вибираємо Visible Items   Digital 
Display, чим зробимо видимим цифровий дисплей регулятора.  
 
Рисунок 3.1 – Лицьова панель СУБВІ «Центри зон генерації» 
 
 
Рисунок 3.2 – Вікно Slide Properties регулятора напруги на резонаторі 
Напруга на резонаторі повинна змінюватись в діапазоні від 240В до 400В з 
кроком 20В. Для забезпечення цієї умови для регулятора, клацнувши на ньому 
правою кнопкою миші, вибираємо Data Range. Відкривається вікно Slide 
Properties (рис. 3.2). У цьому вікні встановлюємо мінімальне Minimum, 
максимальне Maximum значення регульованої величини і крок її зміни 
Increment. Тепер при регулюванні значення змінних не зможуть прийняти 
неприпустимих значень.  
Праворуч помістимо на лицьову панель з палітри Controls   Numeric 
п’ять цифрових індикаторів і дамо їм мітки «Напруга на відбивачі в центрі n -ї 
зони» (рис.3.1). Дослідження роботи відбивного клістрона відбувається для зон 
генерації з 4-ї по 8-му. При роботі саме на цих зонах генерації забезпечуються 
розумні значення напруги на відбивачі ( орієнтовно в межах від -10В до -400В). 
Перейдемо у вікно структурної схеми. Алгоритм функціонування СУБВІ 
«Центри зон генерації» повністю описується математичним виразом (3.2). 
Помістимо у вікно з палітри Functions   Numeric три оператори множення 
Multiply, оператор обчислення квадратного коріння Square Root і три цифрові 
константи Numeric Constant із значеннями 9,375, 3, 6,745, які відповідно 
описують частоту генерації, відстань між сіткою і відбивачем і множник, що 
стоїть в чисельнику виразу (3.2).  
Для знаходження значень напруг в п’яти зонах генерації помістимо з палітри 
Functions   Numeric по 5 операторів ділення Divide і віднімання Subtract. 
Монтажним інструментом з'єднаємо елементи і термінали на структурній 
схемі (рис. 3.3). 
Відкоректуємо ікону СУБВІ, напис в іконі відображає виконувані операції 
«Центри зон». У вікні лицьової панелі перейдемо від ікони до з'єднувача (Shov 
Connector) (рис. 3.1). Монтажним інструментом зіставимо контакти з'єднувача з 
регуляторами і індикаторами на лицьовій панелі. Збережемо СУБВІ, давши йому 
ім'я «Центри зон генерації». 
 
 
Рисунок 3.3 – Структурна схема СУБВІ «Центри зон генерації» 
3.2 Допоміжний віртуальний інструментарій «Вихідна потужність» 
 
Цей СУБВІ використовується для знаходження вихідної потужності в 
залежності від зміни напруги на відбивачі в межах відповідної зони генерації. 
Центр зони (напруга на відбивачі при якій вихідна потужність максимальна) 
додатково залежить від напруги на резонаторі. 
Вихідна потужність має квадратичну залежність від напруги на відбивачі. В 
даній роботі ця залежність спрощено представляється у вигляді: 
 
100 − U 2
P відб
вих =U0k ,                                       (3.3) 
3
 (n + )
4
 
де U0  - напруга на резонаторі; 
k  - нормуючий множник, підбираючи значення якого, можна регулювати вихідну 
потужність і встановлювати її згідно з табличними параметрами для обраного 
типу клістрону (в даному випадку вихідна потужність повинна бути в межах 20-
30 мВт, тому k  підбирається рівним 0,0125); 
Uвідб  - зміна напруги на відбивачі (вираз (3.3) дозволяє варіювати значення 
напруги на відбивачі в межах від -10В до 10В, що узгоджується з табличними 
даними для вибраного типу клістрону); 
n  - номер зони генерації. 
Створимо в LabVIEW новий прилад, вибравши команди меню File   New 
VI. Створюємо лицьову панель СУБВІ. 
Ліворуч розмістимо два регулятори, один з яких задає напругу на 
резонаторі, а інший – зміну напруги на відбивачі в межах відповідної зони 
відносно значень, що визначаються виразом (3.2) (рис.3.4). Для цього з палітри 
Numeric перемістимо на лицьову панель два регулятори Horizontal Pointer Slide і 
внесемо їх назви в мітку регуляторів. Після клацання правою кнопкою миші на 
кожному з регуляторів вибираємо Visible Items   Digital Display, чим зробимо 
видимим цифрові дисплеї регуляторів.  
Як і раніше, напруга на резонаторі повинна бути в діапазоні від 240В до 
400В з кроком 20В, а зміна напруги на відбивачі задається діапазоном від -10В до 
10В з кроком 1В. Для кожного з регуляторів, клацнувши на них правою кнопкою 
миші, вибираємо Data Range, після чого відкривається вікно Slide Properties. У 
цьому вікні встановлюємо відповідні мінімальне Minimum, максимальне 
Maximum значення регульованої величини і крок її зміни Increment.  
 
Рисунок 3.4 – Лицьова панель СУБВІ «Вихідна потужність» 
 
На лицевій панелі, праворуч, помістимо з палітри Controls   Numeric 
п’ять цифрових індикаторів і дамо їм мітки «Потужність в n -й зоні генерації» 
(рис.3.4). 
Перейдемо у вікно структурної схеми (рис.3.5). Взаємозв’язок між 
величинами, представленими в 2-х колонках на лицьовій панелі, повністю 
описується виразом (3.3). Для реалізації працездатності схеми скористаємося 
формульним вузлом Formula Node, який відноситься до елементів «Структури» і 
викликається правою клавішею миші на панелі блок-діаграм по дорозі: All Functions 
  Structures   Formula Node. 
 
Рисунок 3.5 – Структурна схема СУБВІ «Вихідна потужність» 
 
Рамка формульного вузла, що з'явилася, розтягується до потрібного розміру 
і в неї вписуються розрахункові формули (3.3) для кожної досліджуваної зони 
генерації. Невідомі записуються в лівій частині формул. Кожна формула 
пишеться в окремому рядку і закінчується крапкою з комою. 
Потім у формули потрібно внести початкові дані і вивести результати 
розрахунку. Для цього курсор встановлюється правою клавішею миші на рамці 
формульного вузла і із спливаючого меню лівою клавішею викликається Add 
Input (додати вхід) для вхідних величин і Add Output (додати вихід) для 
вихідних величин. У рамки, що з'явилися, вписуються найменування цих величин. 
До вхідних рамок підключаються цифрові елементи, що управляють, до 
вихідних - індикатори. Входи і виходи можна встановлювати в будь-якому місці 
рамки. Найменування в рамках повинні бути такими самими, як у формульному 
вузлі.  
Монтажним інструментом з'єднаємо елементи і термінали на структурній 
схемі (рис. 3.5). Відкоректуємо ікону СУБВІ, напис в іконі відображає виконувані 
операції «Рвих». У вікні лицьової панелі перейдемо від ікони до з'єднувача (Shov 
Connector) (рис. 3.4). Монтажним інструментом зіставимо контакти з'єднувача з 
двома регуляторами і п’ятьма індикаторами на лицьовій панелі. Збережемо 
СУБВІ, давши йому ім'я «Вихідна потужність». 
 
3.3 Допоміжний віртуальний інструментарій «Електронне 
налаштування частоти» 
 
Електронне налаштування є однією з найбільш цінних властивостей 
відбивних клістронів і має велике прикладне значення. Частота коливань 
змінюється в межах зони генерації по закону тангенсоїди [1] 
 
3
2 (n + )
1
fген = f0(1− tg[ 4 Uвідб ]) ,                        (3.4) 
2Qн U0 −Uвідб
 
де U0  - напруга на резонаторі; 
f0  частота генерації, що відповідає центру зони генерації і максимуму вихідної 
потужності (для досліджуваного клістрона f0 =9,375 ГГц); 
Uвідб  - напруга на відбивачі в центрі n -ї зони генерації, що знаходиться з виразу 
(3.2); 
Uвідб  - зміна напруги на відбивачі (для даного клістрону межі варіювання від -
10В до 10В); 
Qн  - навантажена добротність відбивного клістрона (приймемо її значення рівне 
200). 
n  - номер зони генерації. 
Створимо в LabVIEW новий прилад, вибравши команди меню File   New 
VI. Створюємо лицьову панель СУБВІ. 
Органи управління нового приладу будуть повністю тотожні вхідним 
величинам СУБВІ «Вихідна потужність», а саме ліворуч розташовані два 
регулятори Horizontal Pointer Slide, один з яких задає напругу на резонаторі, а 
інший – зміну напруги на відбивачі в межах відповідної зони генерації (рис.3.6). 
Після клацання правою кнопкою миші на кожному з регуляторів вибираємо 
Visible Items   Digital Display, чим зробимо видимим цифрові дисплеї 
регуляторів.  
Як і раніше, у вікні Slide Properties в закладці Data Range встановлюємо 
мінімальне Minimum, максимальне Maximum значення регульованих величин і 
крок їх зміни Increment.  
 
Рисунок 3.6 – Лицьова панель СУБВІ «Електронне налаштування» 
 
Праворуч помістимо на лицьову панель з палітри Controls   Numeric 
п’ять (за кількістю досліджуваних зон генерації) цифрових індикаторів і дамо їм 
мітки «Електронне налаштування частоти в n -й зоні генерації» (рис.3.6).  
Перейдемо у вікно структурної схеми. Структурна схема СУБВІ 
«Електронне налаштування» містить 5 однотипних каналів, в кожному з яких 
розраховується зміна частоти генерації в залежності від напруги на відбивачі за 
формулою (3.4).  
Помістимо у вікно з палітри Functions   Numeric чотири оператори 
множення Multiply, два оператори віднімання Subtract, оператор ділення Divide, 
і константу 2  з палітри Functions   Numeric   Additional Numeric 
Constants. З палітри Functions   Mathematics   Elementary & Special 
Function   Trigonometric Function візьмемо оператор тангенса Tangent. 
Монтажним інструментом з'єднаємо елементи і термінали на структурній 
схемі у відповідності з виразом (3.4) (рис. 3.7), після чого скопіюємо отриману 
структуру і створимо 5 аналогічних каналів. 
Для врахування номеру зони генерації на відповідні оператори множення 
Multiply подаються 5 констант: 4,75; 5,75; 6,75; 7,75 і 8,75.  
Також на структурній схемі додатково розміщуються оператор множення 
Multiply, оператор знаходження оберненої величини Functions   Numeric   
Reciprocal, дві константи 1 і 2, а також 2 константи, які можуть, при потребі, бути 
скореговані користувачем: навантаженої добротності – 200 і частоти генерації – 
9,375. 
 
Рисунок 3.7 – Структурна схема СУБВІ «Електронне налаштування» 
 
Для отримання напруг на відбивачі, що відповідають різним зонам 
генерації, на структурній схемі розміщується СУБВІ «Центри зон генерації». Для 
цього, з палітри Functions вибираємо Select а VI. З вікна, що відкрилося, 
переміщаємо у вікно структурної схеми створений нами СУБВІ «Центри зон 
генерації». Монтажним інструментом з'єднаємо елементи і термінали на 
структурній схемі (рис. 3.7). Відкоректуємо ікону СУБВІ, надавши іконці 
характерного вигляду: f . У вікні лицьової панелі перейдемо від ікони до 
з'єднувача (Shov Connector) (рис. 3.6). Монтажним інструментом зіставимо 
контакти з'єднувача з регуляторами і індикаторами на лицьовій панелі. Збережемо 
СУБВІ, давши йому ім'я «Електронне налаштування». 
 
3.4 Віртуальний інструментарій «Відбивний клістрон» 
 
Створимо в LabVIEW лабораторну установку, вибравши команди меню File 
  New VI. Створюємо лицьову панель ВІ. 
Вище за всі регулятори в декоративному елементі Horizontal Button Box, 
узятому в палітрі Decorations, помістимо міточным інструментом заголовок 
«Дослідження відбивного клістрону». (рис. 3.). 
 
Рисунок 3.8 – Лицьова панель ВІ «Відбивний клістрон».  
Сторінка «Генерація потужності»  
 
З палітри Controls   Containers візьмемо елемент управління Tab Control 
і помістимо його на лицьову панель. Розтягнемо його межі на весь екран. 
Клацнувши на ньому правою кнопкою миші, вибираємо в контекстному меню 
пункт Add Page After, додаючи третю сторінку. 
Міточним інструментом внесемо у всі три сторінки цього елементу їх 
мітки: «Генерація потужності», «Графіки вихідної потужності», «Графіки 
електронного налаштування». Формування цих сторінок лицьової панелі багато в 
чому схоже з формуванням панелей СУБВІ «Центри зон генерації», «Вихідна 
потужність» і «Електронне налаштування». 
Відкриємо сторінку «Генерація потужності». 
Регулятори і індикатори будуть складати 2 групи, одна з яких містить 
елементи, за допомогою яких можна керувати параметрами схеми, друга – 
елементів, що відображають результати функціонування віртуального приладу. 
Помістимо на лицьову панель з палітри Controls   Numeric цифровий 
регуляторі Horizontal Pointer Slide і Knob та дамо їм відповідні мітки (рис. 3.8). 
Після клацання правою кнопкою миші на кожному регуляторі вибираємо Visible 
Items   Digital Display, чим зробимо видимим цифровий дисплей регулятора. 
Для кожного з регуляторів, клацнувши на ньому правою кнопкою миші, 
вибираємо Data Range. Відкривається вікно Slide Properties. У цьому вікні 
встановлюємо мінімальне Minimum, максимальне Maximum значення 
регульованої величини і крок її зміни Increment. Тепер при регулюванні значення 
змінних не зможуть прийняти неприпустимих значень.  
Залежно від вибору номера зони генерації на виході будемо отримувати 
різні значення вихідних величин. Створюємо нумерований елемент керування 
Controls => Ring&Enum => Enum. У його властивостях (щоб потрапити на 
сторінку властивостей, у контекстному меню вибераємо пункт Properties), 
переходимо на вкладку редагування пунктів Edit Items. І в таблиці в колонку 
міток Label вводимо п’ять рядків:4. 5, 6, 7 і 8. Кожній мітці відповідає число від 
нуля до чотирьох. 
З палітри Controls   Numeric Indicators розмістимо чотири індикатори 
вихідних величин Meter, Gauge, Tank, і Thermometer. При цьому в мітку 
кожного індикатора внесемо його найменування: «Напруга на відбивачі, В», 
«Вихідна потужність, мВт», «Частота, МГц» і «Електронне налаштування 
частоти, МГц».  
Зазначимо, що перший індикатор для значень напруг на відбивачі для 
центрів зон генерації, реагує лише на зміну напруги резонатора, що задається 
лівим верхнім регулятором. Значення на решті індикаторів змінюються при 
варіюванні значень обох вхідних величин. 
Відкриємо сторінку «Графіки вихідної потужності» (рис.3.9). 
З палітри Controls   Graph візьмемо графічний індикатор XY Graph і 
помістимо його на лицьовій панелі. У мітку індикатора внесемо напис «Вихідна 
потужність». Міточним інструментом задамо відповідний розмах обох шкал 
екрану. 
 
Рисунок 3.9 – Лицьова панель ВІ «Відбивний клістрон».  
Сторінка «Графіки вихідної потужності»  
Виділимо легенду клацанням миші і розтягнемо її по вертикалі до появи в 
легенді чотирьох графіків. Міточним інструментом дамо графікам назви «n  зона 
генерації». 
Клацанням правої кнопки миші на кожному графіку в легенді викликаємо 
контекстне меню, вибираємо пункт Color. У вікні, що відкрилося, вибираємо для 
графіків різні кольори. Також в контекстному меню, міститься пункт Line Width, 
за допомогою якого можна задавати товщину ліній графіка. 
Зауважимо, шо графіки будуються для зон генерації з 5 по 8, а для 4-ї 
студент повинен самостійно побудувати графіки по результатах вимірювання на 
першій вкладці віртуальної установки.  
 
Рисунок 3.10 – Лицьова панель ВІ «Відбивний клістрон».  
Сторінка «Графіки електронного налаштування»  
 
Відкриємо сторінку «Графіки електронного налаштування» (рис.3.10). 
З палітри Controls   Graph візьмемо графічний індикатор XY Graph і 
помістимо його на відповідній сторінці. У мітку індикатора внесемо напис 
«Електронне налаштування». Міточним інструментом задамо відповідний розмах 
обох шкал екрану і підпишемо вісі графіка. 
Аналогічно з налаштуванням попереднього графіка, виділимо легенду 
клацанням миші і розтягнемо її по вертикалі до появи в ній чотирьох графіків. 
Міточним інструментом дамо графікам назви «n  зона генерації» від 5 до 8. 
Змінюючи колір пензля, освітлюємо робочу область графіка, після чого 
клацанням правої кнопки миші на кожному графіку в легенді викликаємо 
контекстне меню, вибираємо різні кольори для графіків за допомогою пункту 
Color і товщину ліній за допомогою пункту Line Width.  
Для всіх елементів лицьової панелі для підвищення наочності і зручності 
можна задати кольори розфарбовування, розміри і тип шрифтів, і на цьому 
формування лицьової панелі буде закінчено. 
Перейдемо у вікно структурної схеми Block Diagram. 
Розмістимо зручно термінали регуляторів і індикаторів (рис. 3.11). 
З палітри Functions вибираємо Select а VI. Почергово, з вікна, що 
відкрилося, переміщаємо у вікно структурної схеми створені нами три СУБВІ: 
«Центри зон генерації», «Вихідна потужність» і «Електронне налаштування». 
Монтажним інструментом з'єднаємо відповідні елементи і термінали на 
структурній схемі (рис. 3.11). 
Для врахування номеру зони генерації помістимо у робочому вікні 
структуру варіанта Case. При підключенні терміналу елемента управління Enum 
до терміналу селектора варіанта Case він змінить свій колір на синій 
(цілочисленний тип), а в селекторі структури заголовки варіантів "True" і "False" 
поміняються на "4" та "5". Вибираємо у контекстному меню структури Add Case 
For Every Value. Lab VIEW додасть варіант для кожного елемента елемента 
управління Enum. При цьому назва варіанта, що відображається в селектор 
структури, буде взято з пунктів елемента управління Enum. Для виконання 
програми вирішальну роль мають номер варіанта: 0, 1, 2, 3 або 4, на що вказує 
синій колір терміналу елемента управління Enum, провідника даних і терміналу 
селектора варіанту. Однак для зручності як кінцевих користувачів віртуального 
інструментарію, так і програмістів варіанти маркуються назвами. 
 
Рисунок 3.11 – Структурна схема ВІ «Відбивний клістрон» 
 
Набираємо у кожній піддіаграмі структури відповідну блок-діаграму та 
виводимо результат на елемент індикації. В даному випадку відмінність між 
піддіаграмами буде полягати у тому, який з входів комутується з виходом. Тут 
слід наголосити, що всі п’ять піддіаграми структури варіантів знаходяться 
всередині однієї структури. Користувачу видно може бути лише одна піддіаграма, 
а решта чотири як у колоді карт складені позаду першої. Перемикання між ними 
здійснюється за допомогою стрілок. На рисунку 3.11 ми бачимо комутацію для 8-ї 
зони генерації, але змінивши варіант на структурі  Case можемо прослідкувати 
комутацію входів для кожної із зон генерації.  
Для кращого розуміння процесу електронного налаштування частоти на 
віртуальному інструментарії розміщується індикатор частоти і додатково 
індикатор налаштування частоти відносно центрального значення. Для реалізації 
останнього потрібно додатково добавити елемент віднімання Subtract, який 
знаходить різницю між поточним значенням частоти і її середнім значенням 9,375 
ГГц. Для відображення цього значення в МГц потрібно помножити поточне 
значення на 1000 за допомогою елементу Multiply.  
Напруга на відбивачі завжди має негативне значення, що не дуже гарно 
сприймається візуально, тому для підвищення наочності поточне значення міняє 
знак за допомогою елемента Negate.  
Для побудови графіків функцій Pвих = f (Uвідб )  і fген = f (Uвідб )  необхідно 
отримати масив даних для всього діапазону зміної величини з певним кроком. Для 
цього організовується цикл. З палітри Functions   Structures вибираємо 
оператора циклу For Loop. Помістивши його у вікно структурної схеми, 
розтягуємо рамку і міточним інструментом задаємо число його виконань, рівне 
200. Межі зміни напруги на відбивачі становлять від -10В до 10, а крок 0,1В, 
тобто якщо 20В (розмах шкали, який буде змінюватись) розділити на крок 0,1, 
отримаємо кількість виконань циклу.  
Оскільки за умовчанням і змінються з нуля з кроком 1, розмістимо 
всередині циклу For Loop оператор віднімання Subtract і оператор множення 
Multiply, а також дві константи: 100 і 0,1, перша з яких задає значення лівої 
границі інтервалу Uвідб , а друга – крок зміни напруги. 
Для того, щоб вихідні параметри були просторово рознесені в залежності 
від номера зони генерації, тобто залежали не лише від Uвідб , а в цілому від 
напруги на відбивачі Uвідб , необхідно до Uвідб  додати напругу, що відповідає 
центрам зон генерації. Для цього помістимо всередину рамки оператора циклу з 
палітри Functions   Numeric чотири оператори множення Multiply. 
З палітри Functions вибираємо Select а VI. Повторно на структурній схемі, 
всередині рамки оператора циклу, розміщуємо створені нами СУБВІ: «Центри зон 
генерації», «Вихідна потужність» і «Електронне налаштування».  
Розмістимо зручніше всі ці елементи в рамці оператора і монтажним 
інструментом з'єднаємо термінали (рис. 3.11). Зовнішні для оператора циклу For 
Loop вхідні величини і сигнали, що управляють, проходять всередину циклу 
через тунелі, що утворюються при проході через границю оператора монтажного 
інструменту. 
На правій стороні оператора циклу утворюємо тунелі вихідних величин для 
кожної з чотирьох зон генерації для вихідної потужності і електронного 
налаштування.  
З палітри Functions   Cluster вибираємо оператор Bundle і 8 разів (по 
чотири для кожного з графіків) переносимо його у вікно структурної схеми до 
вихідних тунелів оператора циклу. 
З палітри Functions   Array вибираємо 2 оператори побудови масиву 
Build Array і переносимо його у вікно структурної схеми. 
Монтажним інструментом сполучаємо вихідні тунелі оператора For Loop і 
оператори Bundle і Build Array між собою і з терміналами відповідних 
індикаторів XY Graph (рис. 3.11). Цим ми забезпечили побудову на екрані 
кожного з індикаторів відразу чотирьох графіків залежно від напруги на 
відбивачі. 
На цьому робота із створення віртуальної лабораторної установки 
завершена. Збережемо її результати як ВІ з ім'ям «Відбивний клістрон». 
Наведемо порядок виконання лабораторних досліджень. 
1. Запустити лабораторну установку, ознайомитися з органами управління. 
Включення приладу здійснюється натисненням на двонаправлену стрілку в рядку 
кнопок вікна LabVIEW. Розташована правіше кнопка STOP вимикає віртуальну 
лабораторну установку. 
2. Провести дослідження роботи відбивного клістрону: 
• зняти залежність напруги на відбивачі в центрі зони генерації від напруги 
на резонаторі; дані звести в таблицю і побудувати графіки одержаних 
залежностей; 
• для заданого викладачем значення напруги на резонаторі зняти залежність 
вихідної потужності від зміни напруги на відбивачі; дані звести в таблицю і 
побудувати графіки одержаних залежностей; 
• для заданого викладачем значення напруги на резонаторі зняти залежність 
електронного налаштування від зміни напруги на відбивачі; дані звести в 
таблицю і побудувати графіки одержаних залежностей; 
3. Пояснити отримані результати, спираючись на знання теорії. 
4. Оформити і захистити звіт по роботі. 
ВИСНОВКИ 
 
Системи моделювання радіоелектронних пристроїв та приладів дозволяють 
різко зменшити обсяг експериментальних досліджень, для проведення яких 
потрібне придбання дорогих вимірювальних приладів, радіодеталей, трудомістке 
складання й тривале настроювання макетів. 
Моделювання широке використовується при проведенні науково-дослідних 
і дослідно-конструкторських робіт. 
Програми моделювання можуть із успіхом використовуватися й у 
навчальному процесі. Вивчення радіоелектронних приладів можна проводити при 
виконанні лабораторних робіт з багатьох технічних дисциплін. Це рятує від 
необхідності робити значні витрати на придбання встаткування для лабораторних 
робіт, виключає відмови встаткування через помилкову комутацію, дозволяє 
досліджувати багато режимів роботи приладів, які неприпустимі в реальних 
макетах. 
В даній магістерській роботі модернізовано віртуальний інструментарій для 
моделювання роботи генератора на відбивному клістроні в середовищі LabView. 
Особливістю роботи генератора на відбивному клістроні є те, що зміна вихідної 
потужності носить дискретний характер. Інтервали напруги відбивача, в яких 
можлива генерація приладу називаються зонами генерації. Напруга відбивача в 
центрі зони генерації зв’язана з напругою на резонаторі. Для обчислення 
взаємозв’язку між цими напругами створено підпрограму (СУБВІ «Центри зон 
генерації»). СУБВІ «Вихідна потужність» і «Електронне налаштування» 
дозволяють отримувати різні значення вихідної потужності та частоти генерації 
сигналу в залежності від напруги на резонаторі і зміни напруги на відбивачі.  
Використовуючи описані допоміжні віртуальні інструменти, синтезовано 
лабораторний стенд в якому вхідними параметрами будуть: напруга на 
резонаторі, зміна напруги на відбивачі та номер зони генерації; а вихідними 
параметрами: напруга на відбивачі в центрі зони генерації, вихідна потужність, 
частота сигналу, що генерується, та електронне налаштування частоти для п’яти 
зон генерації. 
На двох додаткових сторінках віртуального стенду в автоматичному режимі 
будуються графічні залежності вихідної потужності і електронного налаштування 
від напруги на відбивачі, що відповідають заданому набору вхідних параметрів. 
Відповідно змінюючи вхідні параметри будуть змінюватись кількісні показники 
графічних залежностей. Додаткова візуалізація результатів вимірювання 
дозволить краще розуміти фізичні явища, які відбуваються в досліджуваному 
генераторі. 
Розроблена імітаційна модель може бути використана в учбовому процесі 
при проведенні лабораторної роботи «Дослідження генератора на відбивному 
клістроні» з вибіркової дисципліни «Електронні та квантові прилади НВЧ». 
СПИСОК ВИКОРИСТАННОЇ ЛІТЕРАТУРИ 
 
1. Панфілов І.П., Флейта Ю.В. Електронні та квантові прилади НВЧ: Навч. 
посібник для вузів. Модуль 1. – Одеса: ОНАЗ ім. О. С. Попова, 2010. – 120 стор. 
2. Паранчук Я. С. Обчислення та програмування в MathCAD. Підручник. Гриф 
МОН України. / Я.С.Паранчук, В.І.Мороз. – Львів: Вид-во Львівської 
політехніки, 2013. – 365с.  
3. Matlab в інженерних розрахунках. Комп'ютерний практикум [Текст] : навч. 
посіб. / Н. М. Гоблик, В. В. Гоблик ; Нац. ун-т "Львів. політехніка". - Л. : Вид-во 
Львів. політехніки, 2010. - 132 с.  
4. Коцаренко В.О. Обчислення в MathCAD. Навчальний посібник. Гриф МОН 
України. / В.О.Коцаренко., Ю.А.Селіхов.- Харків: Вид-во ’’Підручник НТУ 
ХПІ” – 2011. – 192с. 
5. Гавриш О.С. Віртуальний лабораторний практикум для дослідження 
електровакуумних приладів НВЧ в середовищі LabView. // Праці ІІІ Міжн. 
наук.-практ. конф. «Обробка сигналів і негауссівських процесів»: Тези 
доповідей. – Черкаси: ЧДТУ, 2011, С.232-234. 
6. Створення віртуальних приладів в середовищі LabVIEW [Електронний 
ресурс]: навч. посіб. для студ. спеціальності 172 «Електронні комунікації та 
радіотехніка» / В. М. Головня; РТФ; КПІ ім. Ігоря Сікорського. – Електронні 
текстові дані (1 файл: 9,92 Мбайт). – Київ: КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023. – 
142 с. 
7. Комп’ютерне проектування систем авіоніки: Лабораторний практикум 
[Електронний ресурс]: навч. посіб. для здобувачів ступеня бакалавра 
спеціальності 173 «Авіоніка», за освітньою програмою «Системи керування 
літальними апаратами та комплексами» / КПІ ім. Ігоря Сікорського; уклад.: Ю. 
В. Бобков, А. А. Сердюк. – Електронні текстові дані (1 файл: 3,63 Мбайт). – 
Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2022. – 97 с. 
8. Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт із дисципліни 
«Електронні та квантові прилади НВЧ» для студентів спеціальності 172 
«Телекомунікації та радіотехніка» / Укл. О.С. Гавриш – Черкаси: ЧДТУ, 2015. – 
17 с.
ChSTU repository

ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets
