CC BY
54
Комплексное технологическое обеспечение профессиональной подготовки специалистов по обслуживанию автоматизированных систем
1 2 Л.Ф. Борисова , В.Е. Бабкин
1 Электромеханический факультет МГТУ, кафедра электрооборудования судов
2ГУРТП "Атомфлот"
Аннотация. Разработан малогабаритный переносной прибор по исследованию элементной базы электронных схем. Предлагается использовать прибор в качестве учебного стенда по изучению функциональных возможностей цифровых элементов, используемых в электронных, импульсных, радиоэлектронных устройствах и средствах вычислительной техники. На базе нескольких приборов можно создать мобильную, удобную в размещении и эксплуатации лабораторию. Прибор может быть полезен специалистам в области микросхемотехники для контроля работоспособности различных микросхем.
Abstract. The small portable instrument has been developed for studies of the schemes element base. It has been offered to use the instrument as a training stand for studies of functional possibilities of the digital elements used in electronic, radioelectronic devices and computing machinery facilities. On the base of several instruments it is possible to create a mobile and convenient laboratory. The instrument can be useful for microcircuits machinery specialists for operation control of different microcircuits.
1. Введение
Компьютеризация всех отраслей промышленности и знаний сопровождается активным вытеснением электронных и радиоэлектронных устройств аналогового типа дешевыми, высокоточными и надежными цифровыми устройствами. Такой подход позволяет не только получить высокое качество автоматизированных систем сбора, обработки информации и управления, но и эффективно решает проблемы построения таких систем на основе использования компьютерных средств (персональные и специализированные компьютеры, микропроцессоры), работающих с цифровыми (дискретными) кодовыми сигналами. Современный инженер любой специальности должен знать специфику цифровой техники, хорошо ориентироваться в особенностях построения и функционирования цифровых устройств, знать особенности прохождения и преобразования цифровых сигналов, уметь грамотно обслуживать системы, построенные на цифровой элементной базе.
Особенностью кафедры электрооборудования судов (ЭОС) является то, что она выполняет двойную задачу. С одной стороны, кафедра является узкоспециализированной, выпускной по подготовке инженеров-электромехаников по специальности "Электрооборудование и автоматика судов". С другой стороны, кафедра является базовой общеинженерной. Здесь будущие инженеры всех технических специальностей университета с разной степенью теоретической углубленности, дифференцированной в
зависимости от дальнейшей специализации, изучают теоретические основы
электротехники, теорию электрических цепей, электрические аппараты,
электротехнические устройства,
электрооборудование судов и другие дисциплины, закладывая базовые знания, необходимые для последующего изучения других специальных дисциплин. От того, насколько качественными и современными являются эти знания, во многом зависит качество общей подготовки инженеров -выпускников университета.
Рис. 1. Схема обеспечения учебного процесса кафедры
Для эффективного распределения людских ресурсов, материальных средств и помещений кафедре необходим комплексный технологический подход к обеспечению учебного процесса. Такой подход можно рассматривать в трех аспектах: методико-преподавательском, техническом и административно-хозяйственном (рис. 1). С точки зрения комплексного технологического подхода тематическое содержание общеинженерных учебных дисциплин должно учитывать тот факт, что современные цифровые электронные и радиоэлектронные устройства базируются на широком использовании микросхем. Поэтому подготовка специалистов эксплуатационной направленности по обслуживанию автоматизированных систем должна ориентироваться на практику применения микросхемотехники. Для этого базовое электротехническое образование по всем инженерным специальностям наряду с традиционным изучением аналоговых элементов должно обязательно включать изучение элементов цифровых электронных устройств. Государственными образовательными стандартами подготовки бакалавров и инженеров электромеханической, радиотехнической и судомеханической специальностей предусмотрены соответствующие дисциплины "Электротехнические и электронные аппараты" и "Электротехника и электроника". Знакомство с функциональными особенностями современных микросхем должно быть также предусмотрено в учебных программах базовых общеинженерных дисциплин других специальностей университета.
В настоящее время на кафедре ЭОС достаточно хорошо развита лабораторная база, ориентированная на использование аналоговой техники. Техническая поддержка курсов, ориентированных на использование цифровой техники, в том числе в системах управления, по разным причинам не получила достаточного развития. В результате из-за неразвитой лабораторной базы преподавание дисциплин указанного профиля либо излишне теоретизировано, либо узко специализировано, а многие важные моменты просто не изучаются.
С административно-хозяйственной точки зрения основным звеном комплексного технологического подхода является гибкое сочетание универсальности и узкой специализированное™ комплектования и оборудования учебно-исследовательских лабораторий кафедры. Такой подход в полной мере оправдал себя в последние годы, когда с появлением в университете новых специальностей и дисциплин кафедра не ощущает острого дефицита в новых лабораторных установках для практической поддержки каждого вновь вводимого курса. Дополнительные преимущества могут дать новые технологии, базирующиеся на использовании портативных переносных лабораторных стендов. Такие малогабаритные и простые в транспортировке стенды позволят быстро разворачивать новые учебные лаборатории в любых свободных аудиториях кафедры. При этом легко снимаются проблемы, возникающие время от времени из-за "накладок" в расписании проведения учебных занятий, вызванных трудностью увязки графиков учебных процессов по различным специальностям и факультетам, а также становится разрешимой проблема дефицита полезных площадей кафедры.
2. Разработка передвижной лаборатории по исследованию элементной базы цифровых электронных устройств
Передвижная лаборатория по исследованию элементной базы цифровых электронных устройств должна быть укомплектована набором малогабаритных переносных стендов, имеющих автономное питание от сети переменного тока и удобных при транспортировке, хранении и быстром развертывании
лаборатории. Оптимальное количество учебных стендов определяется с учетом общего числа курсантов (студентов) в учебной группе, а также методики построения учебного процесса. Как правило, предусматривается проведение
лабораторных работ подгруппами по два человека в каждой.
Для комплектования передвижной лаборатории ведущими преподавателями кафедры ЭОС был разработан и изготовлен малогабаритный переносной
многофункциональный стенд "Цифровая элементная база" (ЦЭБ) по исследованию функциональных возможностей наиболее распространенных микросхем (рис. 2) (Бабкин, Борисова, 1998а). При разработке стенда учтены требования рабочих программ и методические особенности преподавания соответствующих учебных дисциплин. Учебный стенд обеспечивает проведение лабораторных экспериментов по 14 тематическим
Рис. 2. Общий вид стенда ЦЭБ
разделам, включающим исследование функциональных возможностей микросхем, которые составляют основу импульсных электронных приборов и устройств, а именно: триггеры, счетчики, делители, элементы памяти и логики, реверсивные счетчики, дешифраторы, регистры сдвига, универсальные регистры, ЦАП, АЦП. Кроме того, стенд позволяет проводить отработку практических навыков контроля состояния различных элементов и выявления причин сбоев и отказов в работе элементов и узлов импульсной техники. Стенд предусматривает возможность замены элементов на стенде по заданию преподавателя и визуальный контроль входных и выходных сигналов с помощью светодиодного индикатора и КИП. Структурная схема стенда изображена на рис. 3.
Рис. 3. Структурная схема учебного стенда ЦЭБ
Стенд содержит набор изучаемых элементов и устройств импульсной техники, наборные поля, на которые выведены входы и выходы элементов и устройств, блок питания, генератор тактовых импульсов, коммутатор выбора учебного поля, поле для подключения контрольно-измерительных приборов. Для визуального контроля динамических режимов работы элементов в приборе имеется четырехканальный коммутатор для подключения однолучевого осциллографа. Электропитание стенда осуществляется от сети переменного тока напряжением 220 В. Потребляемый постоянный ток - не более 500 мА. Общее потребление от сети переменного тока не превышает 15 ВА. В схеме предусмотрена защита от перегрузки по току.
Учебный стенд ЦЭБ обеспечивает проведение следующих исследований:
1. Исследование логических элементов И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ и т.д. на базе микросхем серий К155, К555, К531, КР1531 с возможностью коммутации цепей с помощью перемычек и контролем входов и выходов с помощью светодиодов и контрольно-измерительных приборов (КИП) в стационарном режиме работы.
2. Исследование логических элементов И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ и т.д. на базе микросхем серий К155, К555, К531, КР1531 с возможностью коммутации цепей с помощью перемычек и контролем входов и выходов с помощью светодиодов и осциллографа в динамическом режиме работы, предусмотрена возможность подключения осциллографа через четырехканальный коммутатор.
3. Исследование триггерных схем, содержащих Ж-, Б-триггеры на базе микросхем серий К155ТМ2, К555ТМ2, К155ТВ1 - В11, К555ТВ1 - ТВ11 с учетом возможности коммутации цепей с помощью перемычек и контроля входов и выходов с помощью светодиодов и мультиметра в стационарном режиме работы.
4. Исследование триггерных схем, содержащих Ж-, Б-триггеры на базе микросхем серий К155ТМ2, К555ТМ2, К155ТВ1 - В11, К555ТВ1 - ТВ11 с учетом возможности коммутации цепей с помощью перемычек и контроля входов, а также в динамическом режиме работы с контролем входов и выходов с помощью светодиодов и однолучевого осциллографа, подключенного через четырехканальный коммутатор.
5. Исследование счетчиков и делителей частоты на базе микросхем серии К155ИЕ2, К155ИЕ4, К155ИЕ5 с возможностью коммутации цепей с помощью перемычек и контролем входов и выходов с помощью светодиодов и КИП в стационарном режиме работы.
6. Исследование счетчиков и делителей частоты на базе микросхем серии К155ИЕ2, К155ИЕ4, К155ИЕ5 с возможностью коммутации цепей с помощью перемычек и контролем входов и выходов с помощью светодиодов и осциллографа в динамическом режиме работы.
7. Исследование элементов памяти на базе D-триггеров микросхем серий К155ТМ8 и К555ТМ8 в ручном режиме переноса информации с возможностью визуального контроля выходов с помощью светодиодов и КИП в стационарном режиме.
8. Исследование четырехразрядных двоично-десятичных реверсивных счетчиков, выполненных на базе микросхем серий К155ИЕ6, К155ИЕ7, К555ИЕ6, К555ИЕ7, в ручном режиме переноса с визуальным контролем с помощью светодиодов и КИП. Схема предусматривает:
- сложение счетных импульсов,
- вычитание счетных импульсов,
- выбор и изменение режимов работы,
- предварительную загрузку счетчика,
- сброс счетчика.
9. Исследование дешифраторов на базе микросхем серии КР514 с визуальным контролем входов в двоичном коде с помощью светодиодного индикатора и выхода в десятичном коде с помощью семисегментного элемента и КИП.
10. Исследование ЦАП на базе микросхем серии КР572ПА1 с визуальным контролем входных и выходных сигналов с помощью светодиодного индикатора и КИП.
11. Исследование АЦП на базе микросхем серии КР572ПВ1 с визуальным контролем входных и выходных сигналов с помощью светодиодного индикатора и КИП.
12. Исследование регистров сдвига на базе микросхем серии К561ИР2 с визуальным контролем входных и выходных сигналов с помощью светодиодного индикатора и КИП:
- двух четырехразрядных регистров сдвига,
- одного восьмиразрядного регистра сдвига.
13. Исследование универсального регистра с параллельным переносом кодового слова на базе микросхемы серии К155ИР13 с визуальным контролем входных и выходных сигналов с помощью светодиодного индикатора.
Учебный стенд состоит из одной печатной платы, размещенной в корпусе и включающей следующие компоненты:
- девять полей для исследования элементов;
- блок питания ±12 В и +5 В;
- генератор тактовых импульсов с частотами 10 Гц - 20000 Гц, а также обеспечивающий режим одного такта;
- коммутатор входов исследуемых полей на 8 разрядов;
- коммутатор выходов исследуемых полей на 12 разрядов;
- коммутатор выбора рабочего поля;
- устройство управления ЦАП;
- устройство управления АЦП;
- коммутатор осциллографа на 4 канала.
3. Заключение
Стенд может быть использован в различных курсах, изучающих современную цифровую электронную базу устройств и аппаратов в высших и средних учебных заведениях, а также в качестве прибора по проверке работоспособности микросхем. Ñoaía eñíüóáí íá eáóáaóá YIN a 1998 a. Ií ñeó-ee iaiáóáíea e óáeiiáíaiaáí e aíáaóáíe^ a ó-Míüé íóióáññ íá ÍÓÉ ÍÁÓÓ-98. (Бабкин, Борисова, 19986). Ñ óáaóáey 1998 a. ó-ááíüé ñóáía eñíieügóáóñy íóe íóiaáaáíee ó-ááíié íóáeóeee e eááióáóióíüo óááió íá yeiíiie-áñeii ióaáeáíee Ióóiáíñeiai рыбопромышленного ордена Знак Почета iióñeiai eieeáflsá ei. E.E. láñyóáaá. EmieüQiaaíeá íoeáioá ugaieeei óñeeeóü meoieiai-íaaaaiae-áñeeé óáeóio íoe egó-aíee ó-aáíiai iáóáoeáeá e
• •/V..'.. > •• Г >¿ Гу Гу О Г •• Г Л Гу Г . О Г Г Гу л* ~ >< Г Л л*
íiaíyóü óoiaáíü óñíáaááiiñóe a ó-ááíüo aoóuáo. Литература
Бабкин В.Е., Борисова Л.Ф. Стенд для исследования элементной базы электронных устройств.
Мурманск, ЦНТИ, Информ. листок, № 80-98, 1998а. Бабкин В.Е., Борисова Л.Ф. Прибор для исследования элементной базы электронных устройств. Мурманск, МГТУ, Материалы 9-ой НТК МГТУ, с.117, 19986.
