УЧЕБНЫЙ СТЕНД ПО ЭЛЕКТРОНИКЕ

Предлагаемое изобретение относится к области обучающих устройств и может быть использовано для получения практических навыков работы с пассивными и активными аналоговыми, цифровыми, цифроаналоговыми и аналого-цифровыми электронными компонентами. Предлагаемое изобретение может быть использовано для проведения лабораторных работ при проведении занятий по электротехнике, аналоговой и цифровой схемотехнике, радиотехнике и другим дисциплинам, требующим исследования различных характеристик электронных компонентов, построения схем на их основе и изучения характеристик этих схем.

Известно учебное устройство по электротехнике (патент РФ №2239872 [http://www.freepatent.ru/patents/2239872]), содержащее магнитную доску, набор плат, снабженных магнитами для закрепления на демонстрационной доске, расположенными на их тыльной обращенной к доске поверхности, платы имеют полости с тыльной стороны, внутри которых установлен соответствующий элемент электрической цепи. На лицевую поверхность по меньшей мере части плат нанесены изображения, позволяющие идентифицировать элемент цепи, расположенный в полости платы. Также часть плат с устанавливаемыми на них цифровыми блоками индикации образуют измерительные модули и несут такие элементы цепи, как вольтметр постоянного тока, вольтметр переменного тока, амперметр постоянного тока, милливольтметр. постоянного тока, миллиамперметр постоянного тока, миллиамперметр переменного тока, одна из плат образует модуль для подключения источника тока.

Такое решение позволяет размещать платы в удобном для пользователя порядке, что, на наш взгляд, является основным преимуществом данного решения.

Однако указанное устройство обладает рядом недостатков. В частности, платы для данного устройства дороги в изготовлении в силу их сложной формы. Кроме того, поскольку измерительные приборы также выполнены на отдельных платах, для сборки стенда для работы требуется дополнительное время на установку на магнитную доску плат с измерительными приборами. Также к недостаткам решения следует отнести отсутствие в устройстве генераторов сигналов, с помощью которых можно было бы изучать характеристики компонентов.

Главным же недостатком, на наш взгляд, является то, что обучающийся во время работы имеет дело не с собственно объектом изучения (электронным компонентом), а с изображением, идентифицирующим изучаемый компонент. Вследствие этого в реальной деятельности обучающийся не сможет по внешнему виду идентифицировать электронный компонент, не будет знать виды корпусов, выводов и маркировку реальных электронных компонентов.

Кроме того, известно устройство - стенд для изучения электронных средств автоматизации (патент РФ №2279718 [http://www.freepatent.ru/patents/2279718]).

Стенд содержит набор резисторов, конденсаторов, диодов, логических вентилей, дешифратор, триггеры, счетчики, аналоговые компараторы (для построения четырехразрядных аналогово-цифровых преобразователей (АЦП)) и вольтметр.

Студент, работая со стендом, имеет дело с условными графическими обозначениями (УГО) электронных компонентов и не имеет возможности узнать, как в реальности выглядят электронные компоненты.

Наличие только вольтметра на стенде не позволяет проводить измерение токов, а, следовательно, и мощности, потребляемой изучаемыми компонентами.

Также указанное устройство не предназначено для изучения аналоговых элементов, что ограничивает сферу его применения.

Кроме того, известно устройство - учебный стенд по электронике (патент РФ №2067779 [http://www.freepatent.ru/patents/2067779]).

Учебный стенд содержит источник входных сигналов, блок питания, блок органов управления, устройство коммуникации, блоки электрических схем, сменные накладные панели, коммутационную панель, контрольный гнезда, блок развертывания временной оси отображаемых сигналов, блок защиты моделируемых узлов электрических схем от короткого замыкания, резисторы, источник напряжения задания и многоканальный осциллограф, с помощью которого отображаются временные диаграммы.

Отличие предлагаемого учебного стенда от известных состоит в следующем.

Стенд снабжен блоком защиты моделируемых узлов электрических схем от короткого замыкания, вызванного неверным подключением земляного щупа осциллографа. Это обусловлено тем, что по условиям эксплуатации корпусы стенда и осциллографа заземляются. Однако в современных стендах и осциллографах блоки питания выполняются с достаточной изоляцией и поэтому сейчас стенды и осциллографы по условиям эксплуатации не заземляются, и необходимость в техническом решении, предлагаемом в патенте РФ №2067779, отпадает.

Также указанный стенд не дает возможности обучающимся иметь доступ к реальным электронным компонентам, поскольку используются накладные панели, и, как следует из фиг.1, в стенде представлены только цифровые схемы. Все это снижает дидактические возможности стенда.

Кроме того, известно устройство - стенд для изучения гибридных электронных устройств (патент РФ №2493609 [http://www.freepatent.ru/patents/2493609]).

Стенд для изучения гибридных электронных устройств содержит: блок логических элементов, блок триггеров, счетчик, дешифратор двоичного кода в позиционный, регистр, аналого-цифровой преобразователь, первый блок индикации, второй блок индикации, блок ввода-вывода, блок компараторов, блок переключателей, аналоговый сумматор, набор диодов, набор резисторов, набор конденсаторов, блок управления, регулятор напряжения, генератор. Второй блок индикации содержит линейный многоразрядный светодиодный индикатор.

Отличие предлагаемого стенда для изучения гибридных электронных устройств в том, что в состав стенда дополнительно введен второй блок индикации, содержащий линейный многоразрядный светодиодный индикатор. Авторы к достоинствам стенда относят возможность изучения аналогово-цифровых и цифроаналоговых преобразователей (АЦП и ЦАП) и возможность передавать на компьютер коды, которые, с помощью дополнительного программного обеспечения, могут быть использованы для отображения изменения сигналов во времени, имитируя логический анализатор или осциллограф.

Однако необходимость использования компьютера для отображения формы сигналов делает стенд не самодостаточным, повышает цену и снижаетудобство его применения. Также стенд не предусматривает изучения аналоговых компонентов и не дает обучающимся видеть реальные компоненты. Все это снижает дидактические возможности стенда.

Кроме того, известно устройство - универсальный лабораторный стенд (патент РФ №2418317 [http://ww.freepatent.ru/patents/2418317]). В этом стенде в наклонном основании смонтированы функциональный генератор, снабженный частотомером, источник питания, выполненный в виде двух регулируемых источников, гальванически не связанных друг с другом. Стенд снабжен вторым мультиметром и нерегулируемыми стабилизированными источниками питания, а физические схемы с необходимыми для опытов элементами смонтированы на съемных картриджах, которые снабжены специализированным разъемом для подключения схем к нерегулируемым стабилизированным источникам питания, и имеет звуковой тест соединения схемы. Техническим результатом изобретения является расширение демонстрационных возможностей.

К отличительным особенностям относится то, что физические схемы с необходимыми для опытов элементами смонтированы на съемных картриджах, снабженных специализированным разъемом для подключения схем к нерегулируемым стабилизированным источникам питания, и стенд имеет звуковой тест соединения схемы.

Таким образом, обучающемуся, как и в предыдущих устройствах, недоступны реальные компоненты, поскольку они находятся внутри съемных картриджей, и о схеме обучающийся имеет представление только на основании УГО. Кроме того, размещение схем внутри съемного картриджа со специализированным разъемом удорожает конструкцию. Наличие в устройстве только одного съемного картриджа усложняет процесс лабораторной работы из-за необходимости менять картриджи при переходе к изучению следующего элемента.

Кроме того, известно устройство - лаборатория UniTrain фирмы GmbH [http://www.lucas-nuelle.com], предназначенное для изучения аналоговой и цифровой схемотехники. Лаборатория представляет собой набор модулей, одним из которых является модуль, в который через специализированный разъем вставляется печатная плата, на которой расположены несколько радиоэлектронных компонентов. В качестве измерительного устройства используется ноутбук, на котором отображаются измеряемые величины.

К достоинству лаборатории относится то, что обучающийся видит реальные электронные компоненты, которые он изучает.

К недостаткам лаборатории UniTrain относится необходимость использования ноутбука. Кроме того, изучаемые компоненты находятся на специализированной плате, причем набор компонентов задается изготовителем и не может быть изменен пользователем (сконфигурирован) в соответствии с потребностями пользователя. Несмотря на то, что изучаемые компоненты расположены на плате, обучающийся схему не собирает, она уже собрана под данную тему лабораторной работы. При переходе к новым темам нужно разрабатывать новую специализированную плату. Также при работе с этой лабораторией каждый раз нужно осуществлять коммутацию нескольких блоков при смене тем лабораторных работ.

Кроме того, известно устройство ОЦТ-Н-Р «Основы цифровой электроники» [http://galsen.ru/catalog/set/58/64/766/] фирмы ГалСен, содержащие для изучения цифровых схем (ОЦТ-Н-Р) однофазный источник питания, блок испытания цифровых устройств, набор миниблоков «Основы цифровой техники», раму настольную одноуровневую (длина 435 мм) и мультиметр Mastech MY65.

Кроме того, известно устройство ОАЭ1-Н-Р «Основы аналоговой электроники» [http://galsen.ru/catalog/set/58/65/768/], фирмы ГалСен, принятое за прототип, содержащее для изучения аналоговых схем (ОАЭ1-Н-Р) блок генераторов напряжений с наборным полем, однофазный источник питания, блок мультиметров (2 мультиметра), набор миниблоков "Аналоговая электроника - Электрические компоненты", набор миниблоков "Аналоговая электроника - Электронные компоненты", раму настольную одноуровневую (длина 910 мм) с контейнером, осциллограф двухканальный.

В этих устройствах фирмы ГалСен каждый объект изучения (радиоэлектронный компонент) выполнен в виде отдельного миниблока.

Приведенные устройства имеют следующие недостатки:

1. Для изучения аналоговой и цифровой схемотехники требуется приобретение двух стендов - ОАЭ1-Н-Р и ОЦТ-Н-Р, поскольку каждый из них предназначен для изучения только одного вида схемотехники. Это приводит к неэффективному использованию общих для этих стендов ресурсов (источников питания, коммутационных полей, измерительных приборов и т.д.) и дополнительным затратам на приобретение второго стенда.

2. Стенды имеют большие габариты, поскольку коммутационное поле расположено на раме настольной одноуровневой длиной 910 мм для ОАЭ1-Н-Р и 435 мм для ОЦТ-Н-Р.

3. Отдельные миниблоки, содержащие объект изучения, выполнены таким образом, что обучающийся не видит сам радиоэлектронный компонент, а видит только его условное графическое отображение, что снижает дидактические возможности стендов. Обучающийся не получает представления о различных видах корпусов электронных компонентов, о цоколевке электронных компонентов и т.д. Кроме того, такое конструктивное решение (размещение электронного компонента внутри миниблока) удорожает конструкцию миниблока.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение дидактических возможностей изучения характеристик электронных компонентов, снижение стоимости стенда, повышение удобства пользования за счет конфигурирования стенда в соответствии с потребностями пользователя.

Поставленная задача достигается тем, что учебный стенд по электронике, включающий источник питания, блок генераторов сигналов, устройства для измерения токов и напряжений, двухканальный осциллограф, аналоговые компоненты, размещенные на его верхней поверхности, согласно изобретению выполнен конфигурируемым и снабжен унифицированными имеющими одинаковый геометрический размер и крепежные отверстия печатными платами, закрепленными на верхней поверхности стенда на унифицированных крепежных местах, при этом в качестве объектов изучения используются и аналоговые, и дополнительно введенные цифровые электронные компоненты, расположенные на верхнем слое унифицированных печатных плат.

Выполнение учебного стенда конфигурируемым, благодаря наличию унифицированных печатных плат и крепежных мест, расширяет возможности учебного стенда путем обеспечения выбора интересуемого набора объектов изучения.

Расположение электронных компонентов на унифицированных печатных платах, закрепленных на верхней поверхности стенда, позволяет видеть реальные электронные компоненты и их подключение к элементам схемы.

Размещение на одном стенде и аналоговых, и цифровых компонентов позволяет понять единство принципов работы аналоговых и цифровых компонентов, что, в целом, повышает дидактические возможности стенда.

Использование одного и того же стенда для изучения и аналоговых и цифровых компонентов снижает общую стоимость аппаратуры.

На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого учебного стенда, на фиг. 2 - внешний вид лабораторного макета.

Конфигурируемый учебный стенд по электронике (фиг. 1, фиг. 2) содержит источник питания 1 (на фиг. 2 показаны гнезда, на которые подается напряжение), блок генераторов сигналов 2 (на фиг. 2 показаны ручки, задающие параметры сигналов, сам генератор сигналов выполнен на микроконтроллере), устройства 4, 5 для измерения тока и напряжения (измерительные головки 4 и 5, каждая из которых может быть использована в роли измерителя напряжения или измерителя тока), двухканальный осциллограф 6, унифицированные печатные платы 8 с объектами изучения (на макете фиг.2 показаны 4 печатные платы с припаянными микросхемами и 4 пустые печатные платы, на которые можно припаять какие-либо электронные компоненты) и унифицированные крепежные места 9 (на макет установлено 24 таких крепежных места, на 8 из которых установлены унифицированные печатные платы, а 16 унифицированных мест являются свободными и на них в нужном порядке можно установить требуемые унифицированные платы с объектами изучения).

Конфигурируемый учебный стенд по электронике работает следующим образом. При включении источника питания 1 на гнездах источника питания появляется три напряжения: плюс 5 В, минус 5 В и плюс 3.3 В. Первые два напряжения используются при изучении аналоговых микросхем, многие из которых работают с двухполярным питанием. Напряжение плюс 5 В может быть также использовано при изучении старых цифровых микросхем. Напряжение плюс 3.3 В, является де-факто стандартом для современных цифровых схем и используется при их изучении.

Объекты изучения (резисторы, конденсаторы, индуктивности, диоды, транзисторы, микросхемы) распаиваются на унифицированных печатных платах 8, имеющих одинаковые геометрические размеры и крепежные отверстия. Унифицированные параметры печатных плат позволяют размещать эти платы в любом месте (крепежные места 9) учебного стенда (конфигурировать расположение плат) в зависимости от решаемой задачи. Стенд может быть укомплектован дополнительным набором унифицированных печатных плат с распаянными объектами изучения. В этом случае, если на каком-то стенде в процессе занятий из строя выходит какой-либо изучаемый электронный компонент, то унифицированная плата с вышедшим из строя компонентом снимается со стенда (для чего нужно просто открутить два винта) и на ее место ставится соответствующая унифицированная плата из добавочного комплекта, то есть происходит замена электронного компонента «на лету». Эти операции занимают 5-10 минут и лабораторный стенд во время занятий не выводится из учебного процесса. Потом, например после окончания лабораторной работы, вышедший из строя электронный компонент заменяется на новый и унифицированная печатная плата с электронным компонентом снова готова к эксплуатации.

Использование унифицированных печатных плат и крепежных мест позволяет расширить возможности учебного стенда путем обеспечения выбора набора объектов изучения. В представленном на фиг.2 макете приведена стандартная комплектация для обеспечения базового набора лабораторных работ (четыре лабораторные работы по аналоговой схемотехнике и четыре лабораторные работы по цифровой схемотехнике), в которой задействовано 16 унифицированных печатных плат. На стенде присутствует 24 унифицированных крепежных места, таким образом на оставшиеся 8 мест можно поставить или пустые унифицированные печатные платы, на которые потом пользователь напаяет нужные ему электронные компоненты, либо, по желанию пользователя, можно поставить дополнительный набор унифицированных печатных плат с электронными компонентами, предназначенными, например, для изучения фильтров (в том числе на переключаемых емкостях), для изучения электротехники, для изучения аудиотехники, схем промышленной электроники и так далее - то есть сконфигурировать стенд в соответствии с потребностями заказчика.

Кроме того, возможность быстрой замены унифицированных печатных плат позволяет оперативно обновлять изучаемые электронные компоненты по мере появления на рынке их новых моделей.

Для исследования характеристик электронных элементов и схем на их основе обучающийся должен собрать схему. Каждый электронный компонент, расположенный на унифицированной печатной плате, имеет соединение каждого своего вывода с двумя любым образом выполненными контактами (например, штырьками или гнездами). В данном случае были использованы штырьки. Поскольку объекты изучения находятся на верхней поверхности стенда, обучающийся видит реальный электронный компонент, видит, как расположены выводы, как они подсоединены к штырькам, он должен найти ключ на корпусе - это те действия, которые должен сделать студент в будущем, когда с помощью компьютерных программ он будет должен производить трассировку печатных плат. Таким образом, расположение электронных компонентов на унифицированных печатных платах, закрепленных на верхней поверхности стенда, повышает дидактические возможности стенда. Сборка схемы производится соединением штырьков, соответствующих выводам электронного компонента, с источником питания, подключение источника сигнала к электронному компоненту и подключение средств измерения с помощью проводов. Поскольку предварительных соединений на стенде нет, обучающийся должен произвести реальную сборку схемы. Результаты работы объектов изучения фиксируются с помощью измерительных головок, которые могут быть настроены на измерение тока или напряжения с выбором пределов измерения и двухканального осциллографа. Изучение на одном стенде и аналоговых и цифровых компонентов позволяет обучающемуся с единых методических позиций понять единство принципов работы аналоговых и цифровых компонентов. При изучении этих объектов на различных стендах может сложиться ложное представление о независимости принципов работы аналоговых и цифровых компонентов. Кроме того, использование одного и того же стенда для изучения и аналоговых и цифровых компонентов снижает общую стоимость аппаратуры, поскольку не дублируются источники питания, измерительные приборы, устройства индикации и так далее.

Таким образом, предлагаемый конфигурируемый учебный стенд по электронике расширяет номенклатуру изучаемых электронных компонентов и схем при повышении дидактических возможностей их изучения, снижает материальные затраты при аппаратном обеспечении лабораторных работ, повышает удобства пользования за счет конфигурирования стенда в соответствии с потребностями пользователя, позволяет «на лету» производить замену вышедших из строя объектов изучения.