CC BY
8A.Н. ТАРАСОВ,
B.В. ЯКИМАЩЕНКО, Е.Е. АНДРЮЩЕНКОВ, А.Э. АХМЕДЖАНОВ
A.N.TARASOV, V.V. YAKIMASHENKO, E.E. ANDRUSHENKOV, A.E. AKHMEDZHANOV
НА УДАЛЕНИИ НЕ ЗНАЧИТ ПЛОХО
BEING REMOVED DOESN'T MEAN IT'S BAD
ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО ПРИМЕНЕНИЮ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ В УСЛОВИЯХ ДИСТАНЦИОННОГО ОБУЧЕНИЯ
SUGGESTIONS FOR THE USE OF COMPUTER MODELING IN THE CONTEXT OF DISTANCE LEARNING
Сведения об авторах: Тарасов Александр Николаевич - старший преподаватель кафедры радиотехнических систем Ярославского высшего военного училища противовоздушной обороны (ЯВВУ ПВО), кандидат технических наук, доцент (г. Ярославль. E-mail: yavvu_oni@mil. ru);
Якимащенко Виктор Викторович - преподаватель кафедры радиотехнических систем ЯВВУ ПВО (г. Ярославль. E-mail: yavvu_oni@mil. ru);
Андрющенков Евгений Евгеньевич - старший преподаватель кафедры радиотехнических систем ЯВВУ ПВО, подполковник, кандидат технических наук (г. Ярославль. E-mail: yavvu_oni@mil. ru);
Ахмеджанов Александр Эркинович - преподаватель кафедры радиотехнических систем ЯВВУ ПВО, подполковник, кандидат технических наук (г. Ярославль. E-mail: yavvu_oni@mil. ru).
Аннотация. В работе представлены предложения по проведению лабораторных исследований компьютерных моделей устройств приёма и обработки сигналов в условиях дистанционного обучения.
Ключевые слова: дистанционное обучение, электронная модель, лабораторные исследования, устройства приёма и обработки сигналов.
Information about the authors: Aleksander Tarasov - Senior lecturer of the Department of Radio Engineering Systems of the Yaroslavl Higher Military School of Air Defense (YAVVU Air Defense), Candidate of Technical Sciences, Associate Professor (Yaroslavl. E-mail: yavvu_oni@mil. ru);
Viktor Yakimashenko - Lecturer of the Department of Radio Engineering Systems of Java Air Defense (Yaroslavl. E-mail: yavvu_oni@mil. ru);
Evgeniy Andrushenkov - Senior Lecturer of the Department of Radio Engineering Systems of the Air Defense Air Force, Lieutenant Colonel, Candidate of Technical Sciences (Yaroslavl. E-mail: yavvu_oni@mil. ru);
Aleksander Akhmedzhanov - Lecturer of the Department of Radio Engineering Systems of the Air Defense Air Force, Lieutenant Colonel, Candidate of Technical Sciences (Yaroslavl. E-mail: yavvu_oni@mil. ru).
Summary. The paper presents proposals for conducting laboratory studies of computer models of signal reception and processing devices in the context of distance learning.
Keywords: distance learning, electronic model, laboratory tests, signal reception and processing devices.
В чрезвычайных условиях, например в условиях пандемии, возникает необходимость перехода к дистанционному обучению. Техническими средствами, способствующими решению этой задачи, становятся информационные сети и компьютерные технологии, которые позволяют создавать компьютерные модели физических устройств, оборудования и измерительных приборов.
Использование компьютеров в информационных сетях позволяет проведение различного вида учебных занятий. Учебными заведениями страны в 2020 году накоплен значительный опыт дистанционного проведения конференций, лекций, семинаров и ряда других видов занятий. Трудности возникают в организации проведения лабораторных работ и практических занятий. Поэтому некоторые вузы пошли по пути переноса таких занятий на более поздние сроки, а другие вообще отменили.
Авторы данной работы, являющиеся специалистами дисциплин профессионального цикла и в частности «Устройств приёма и обработки сигналов», считают, что при дистанционном обучении подготовка специалистов по эксплуатации радиотехнических систем будет достаточно полноценной только при выполнении лабораторных работ. В силу невозможности проведения работ на физических установках они могут проводиться с использованием компьютерных моделей физических устройств приёма и обработки сигналов, соответствующего оборудования и измерительных приборов.
Авторы предлагают опыт проведения лабораторных работ, в которых эксперименты на физических моделях элементов радиолокационных приёмников заменены на исследования их виртуальных моделей, созданных с помощью ПЭВМ, которые включены в информационные сети: локальные сети кафедры, вуза. При необходимости (при возможности) могут
быть задействованы сети внешнего контура (интернет).
Для выполнения таких лабораторных исследований предлагается использовать:
- персональные компьютеры, для них авторами разработаны с использованием пакета прикладных программ Electroniks Workbench компьютерные модели устройств приёма и обработки сигналов: транзисторного преобразователя частоты (ПЧ), трёх типов усилителей промежуточной частоты (УПЧ-I, УПЧ-П-2 УПЧ-11-3), трёх типов детекторов (амплитудного (АД), частотного (ЧД) и фазового (ФД)), инерционной автоматической регулировки усиления (АРУ) и супергетеродин-
ного приёмника. Все модели многократно опробированы на занятиях (см. фото 1);
- изданы учебно-методические пособия (УМП) по выполнению лабораторных работ на ПЭВМ. В них изложены описания лабораторных моделей и порядок выполнения работ. Доступ к этим УМП свободный в общей библиотеке;
- разработаны с использованием программ конструктор АСТ-Test и SunRav тесты. Тесты используются для систематической проверки достижения обучающимися обязательных результатов обучения по дисциплине;
- изданы журналы отчётов о выполненных лабораторных работах.
Рис. 1. Принципиальные схемы исследуемых компьютерных моделей детекторов: а - АД, б - ЧД, в - ФД
Ниже предложены два наиболее конструктивно сложных примера компьютерных моделей, которые предлагается исследовать в ходе лабораторных работ.
1. Пакет из 3-х схем моделей детекторов (см. рис. 1), выполненных на базе программ электронного моделирования Electronics Workbench, в которых все компоненты физической аналоговой установки представлены электронными моделями.
Персональный компьютер (ПЭВМ) с пакетом из 3-х схем моделей детекторов, выполненных на базе программ электронного моделирования Electronics Workbench (EWB), позволяет исследовать три виртуальные модели детекторов АД, ФД и ЧД. При этом обучаемому предоставляется возможность использовать «готовую» электронную модель схемы (см. рис. 1) или собрать её самому.
Важно отметить, что процесс моделирования максимально приближен к физической модели и сводится к сборке электронной схемы исследуемого устройства.
Каждая схема компьютерной модели имеет в своём составе виртуальную лабораторию контрольно-измерительных приборов, что позволяет производить эксперименты в реальном масштабе времени при широком диапазоне изменений значений параметров схем.
Предметно-ориентированный интерфейс программы создаёт иллюзию реальности эксперимента и порождает чувства любопытства и желания поэкспериментировать не только в рамках учебных заданий. Интерфейс EWB подобен реальному рабочему месту исследователя электрических и электронных схем.
Для наглядности того, что процесс моделирования максимально приближен к физической модели и сводится к сборке приведённой электронной схемы исследуемого устройства, приведен на рис. 2, где показаны фрагменты натурных исследований АД и фрагменты исследований в компьютерной лаборатории.
Например, для исследования амплитудного детектора в компьютерной лаборатории необходимо собрать схему амплитудного детектора согласно рис. 1, а или открыть готовый файл «A^ewb». Проверить исходные данные и значения элементов схемы в соответствии с карточкой рабочего места.
Для того чтобы снять семейство детекторных характеристик амплитудного детектора I0 = f (UBX) при СН = const, необходимо выставить параметры генератора G1 в соответствии с карточкой рабочего места. Подать с генератора G1 колебания промежуточной частоты на вход амплитудного детектора. Для этого ключ S1 («1» - клавиша управления
переключателем) поставить в верхнее положение.
С помощью ключей S4 и S5 подключить сопротивление нагрузки R1 и выполнить измерения значений тока детектора I0 по амперметру при определённых значениях амплитуды напряжения генератора G1. Диапазон изменения амплитуды напряжения генератора G1 указан в карточке рабочего места.
Описанные измерения повторить для значений сопротивлений нагрузки R2 и R3, используя ключи S4 и S5 («4», «5» - клавиши управления переключателями). При этом значение ёмкости нагрузки Сн не изменять.
Полученные значения UBX и I0 занести в таблицу 1 журнала отчётов.
По полученным данным построить семейство детекторных характеристик I0 = f(UBX) для трёх значений сопротивлений нагрузки R1-R3 при СН = const.
По построенным характеристикам на основании формулы определить экспериментальные значения коэффициентов передачи детектора на линейном участке вольт-амперной характеристики для каждого значения RH.
По формуле, где Ri = 120 Ом, получить расчётные значения коэффициента. Полученные данные занести в таблицу 2 журнала отчётов.
а б
Рис. 2. Фрагмент натурных исследований (а) и компьютерных исследований (б)
амплитудного детектора
Полученные экспериментальные значения Кд сравнить с расчётными и сделать выводы.
Для исследования фильтрующих свойств АД отключить генератор G1 (ключ S1 поставить в нижнее положение). На вход АД с выхода умножителя будут поступать импульсно-модулированные сигналы.
Выставить параметры генераторов G2 и G3 в соответствии с карточкой рабочего места. Подключить сопротивление нагрузки R1 и в дальнейшем его не отключать. Используя ключи S2 и S3 («2», «3» - клавиши управления переключателями) и подключая поочередно конденсаторы С1, С2, С3, снять осциллограммы напряжений в канале В на выходе АД.
Измерить амплитуду переменной составляющей в верхней части импульсов (проникающего сигнала промежуточной частоты). Для этого осциллограф перевести в развёрнутое состояние, активировав кнопку EXPAND и остановив процесс моделирования. Используя измерительную линейку по каналу В, снять минимальное и максимальное значение амплитуды в окне VB1. Полученные осцил-
лограммы зарисовать в журнале отчётов.
Рассчитать коэффициент фильтрации Кф для каждого случая, который определяется как отношение амплитуды напряжения на входе детектора UmBX к амплитуде радиоколебания, «просочившегося» на выход детектора U'mBBIX, т.е.:
КФ = UmBX/U'mBblX.
В выводах сравнить значения коэффициента фильтрации и их зависимость от ёмкости СН.
Кроме представленных выше исследований АД в задании на лабораторную работу предусмотрено исследование ЧД и ФД.
2. Модель супергетеродинного приёмника выполнена на базе программ электронного моделирования Electronics Workbench, в которой все компоненты физической аналоговой установки представлены электронными моделями.
ПЭВМ с моделью супергетеродинного приёмника, выполненной на базе программ электронного моделирования Electronics Workbench, позволяет исследовать компьютерную (виртуальную) модель супергетеродинного приёмника. При этом обучаемому предоставляется возможность использовать «гото-
вую» электронную модель схемы (см. рис. 3) или собрать её самому.
Также важно отметить, что в случае исследований компьютерной модели супергетеродинного приёмника процесс моделирования максимально приближен к физической модели и сводится к сборке электронной принципиальной схемы супергетеродинного приёмника, в состав которого входят: транзисторный преобразователь частоты, многокаскадный УПЧ, система АРУ, амплитудный детектор АД и усилитель низкой частоты.
Схема компьютерной модели супергетеродинного приёмника имеет в своём составе виртуальную лабораторию контрольно-измерительных приборов, что позволяет производить эксперименты в реальном масштабе времени при широком диапазоне изменений значений параметров сигналов и компонентов схем.
Например, можно контролировать параметры и форму напряжений в контрольных точках схемы, как показано на рис. 4.
Для этого выставить параметры генератора G1, выполняющего роль источника входного ампли-
Рис. 3. Принципиальная схема исследуемой компьютерной модели супергетеродинного приёмника
■jfOsrilkjscope щ
Р=1кГц
> i ►
*» гбв"» л* i «б hw |
a веое
(В 2S87 95 Э*9в fU | 19 <1099
0 000 4900 »9118
а б
Рис. 4. Параметры и форма напряжения в контрольной точке УПЧ (а) и в контрольной точке АД (б) исследуемой компьютерной модели супергетеродинного приёмника
тудно-модулированного сигнала, и гетеродина G3 в соответствии с карточкой рабочего места.
На вход приёмника подать ам-плитудно-модулированный сигнал от генератора G1 с помощью переключателя S1.
Включить систему АРУ. Для этого переключатель S4 установить в положение «разомкнуто» (отключить резистор РРУ).
С помощью переключателя S5 подключить вход I осциллографа к выходу генератора G1 амплитуд-но-модулированного сигнала (контрольная точка КТ1).
Запустить процесс моделирования.
Снять осциллограмму напряжения входного амплитуд-но-модулированного сигнала на контрольной точке КТ1. Для этого осциллограф перевести в развёрнутое состояние, активировав кнопку «EXPAND», и остановить процесс моделирования. Настроить развертку по первому каналу и выставить коэффициенты усиления осциллографа. Убедиться по внешнему виду осциллограммы напряжения входного сигнала о соответствии с выставленным на генераторе значением входного сигнала. Амплитуды измеряются при помощи вертикальных визирных линий (красного и синего цвета), которые за треугольные ушки (они обозначены также цифрами 1 и 2) могут быть курсором уста-
новлены в любое место экрана. При этом в индикаторных окошках под экраном приводятся результаты измерения напряжений.
Полученную осциллограмму зарисовать в журнале отчётов по 2-3 периодам отчёта.
Установить длительность развертки осциллографа такую, чтобы был виден период колебания входного сигнала. Используя измерительную линейку, снять период колебания сигнала по показаниям окна Т2-Т1. Рассчитать частоту сигнала и записать в журнал отчётов.
По аналогичной методике выполнить повторное снятие осциллограмм на выходе гетеродина (КТ3), на выходе УПЧ (КТ4) и на выходе детектора (КТ5). Для подключения к контрольным точкам использовать переключатель S5. Полученные осциллограммы зарисовать в журнале отчётов по 2-3 периодам отчёта. Для каждого сигнала рассчитать частоты и занести в журнал отчётов.
В выводах сравнить формы сигналов и частоты напряжений в указанных контрольных точках.
Чтобы исследовать амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) усилителя промежуточной частоты приёмника, необходимо на вход УПЧ подать смодулированный сигнал от генератора G4 с помощью переключателя S6. Выставить параметры генератора 04
в соответствии с карточкой рабочего места.
Подключить мультиметр к выходу УПЧ (КТ4) с помощью переключателей S2 и S3.
Выключить систему АРУ. Для этого переключатель 84 установить в положение «замкнуто» (подключить резистор РРУ).
Для снятия АЧХ УПЧ изменять частоту генератора 04 в пределах, установленных в карточке рабочего места.
Запустить процесс моделирования.
Измерить все максимальные значения выходного напряжения иВЫХ для каждой фиксированной частоты мультиметром. Результаты измерений иВЫХ и соответствующие им значения частоты генератора ГО занести в таблицу 2 журнала отчётов. Рассчитать и занести в таблицу 2 нормированные значения выходного напряжения иВЫХ НОРМ.
По полученным значениям иВЫХ НОРМ построить амплитудно-частотную характеристику УПЧ, определить полосу пропускания и занести в журнал отчётов.
В выводах отметить форму АЧХ и размер полосы пропускания УПЧ и сравнить их с АЧХ и полосой входной цепи.
Для настройки приёмника на рабочую частоту надо выставить параметры генераторов 01 и 03
в соответствии с карточкой рабочего места.
На вход приёмника подать ам-плитудно-модулированный сигнал от генератора G1 с помощью переключателя S1.
Запустить процесс моделирования.
Изменяя частоту гетеродина, настроить приёмник по наличию неискажённого сигнала на выходе приёмника в контрольной точке КТ5 на экране осциллографа.
Снять осциллограммы напряжений входного сигнала и гетеродина в контрольных точках КТ1 и КТ3 соответственно. Измерить частоту сигнала и гетеродина и записать в таблицу 3 журнала отчётов.
По вышеприведённой методике провести измерения для других значений частот входного сигнала, указанных в карточке рабочего места. Полученные результаты записать в таблицу 3 журнала отчётов.
По полученным данным определить значение промежуточной частоты : Г-:С|) и записать в таблицу 3. Сравнить полученные результаты и сделать необходимые выводы.
Кроме представленных выше исследований приёмника в задании на лабораторную работу предусмотрено:
- исследование АЧХ входной цепи;
- определение избирательности приёмника по зеркальному каналу;
- исследование амплитудной характеристики приёмника.
Предметно-ориентированный интерфейс программы создаёт иллюзию реальности эксперимента и позволяет производить эксперименты в реальном масштабе времени при широком диапазоне изменений значений параметров сигналов и компонентов схем. Интерфейс EWB подобен реальному рабочему месту исследователя электрических и электронных схем.
Таким образом, использование виртуальных моделей УПОС, созданных с помощью компьютеров, которые подключены в информационные сети: локальные сети кафедры, вуза, а при необходимости в сети внешнего контура, позволяют:
- организовать дистанционное выполнение лабораторных работ по учебной дисциплине «Устройства приёма и обработки сигналов»;
- реализовать достаточно высокий обучающий эффект;
- при необходимости заменить или дополнить лабораторные исследования на физических установках;
- приобретать навыки в освоении приёмов электронного проектирования устройств приёма и обработки сигналов;
- приобретать навыки в поиске «неисправного» или «вышедшего из строя» компонента принципиальной схемы;
- производить эксперименты в реальном масштабе времени при широком диапазоне изменений значений параметров компонентов принципиальных схем и исходных данных;
- развивать у обучаемых чувство любознательности и желания поэкспериментировать в рамках учебных заданий.
Выполнение дистанционного компьютерного эксперимента остаётся творческим процессом, обеспечивающим углубленное изучение узлов и устройств, используемых в реальной технике; открывает широкие возможности для совершенствования своих знаний, освоения новых методов экспериментального исследования электрических и электронных схем с использованием богатой библиотеки отечественных и зарубежных пакетов прикладных программ, моделей компонентов принципиальных схем и измерительных приборов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Якимащенко, ВВ., Лаврентьев, А. М, Амелько, А. В. Устройства приёма и обработки сигналов: учебное пособие / ЯВВУ ПВО.-Ярославль, 2015. 294 с.
2. Карлащук, В. И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Workbench и её применение. - М.: Солон-Р, 1992.
^КХАЛЛОйСХЛЛ МЕИк^Я ■VNUUlEPuHCbVl AJC41£Mlifl
конструктор
ЭЛЕКТРОННЫХ учебников
i l' иногоцелезой
!янтг?а*г/.вный обучающий программный комплекс {миопк}
НА КНИЖНУЮ ПОЛКУ
И.М. Мотолыцкая
Многоцелевой интерактивный обучающий программный комплекс (МИОПК)
Конструктор электронных учебников «МИОПК - многоцелевой интерактивный обучающий программный комплекс» предназначен для обучения курсантов и слушателей Михайловской военной артиллерийской академии на занятиях по дисциплине «Иностранный язык».
