CC BY
8
Scientific journal PHYSICAL AND MATHEMATICAL EDUCATION
Has been issued since 2013.
Науковий журнал Ф1ЗИКО-МАТЕМАТИЧНА ОСВ1ТА
Видаеться з 2013.
http://fmo-journal.fizmatsspu.sumy.ua/
Шамоня В.Г., Семен'тна О.В. Вивчення цифровоi ло^ки у пiдготовцi бакалавр'!в з комп'ютерних наук: праксеолог'!чний nidxid. Ф'!зико-математична осв'та. 2018. Випуск 4(18). С. 166-170.
Shamonya V., Semenikhina O. Study Of Digital Logic In Preparation Of Computer Sciences Bachelors: Praxseological Approach. Physical and Mathematical Education. 2018. Issue 4(18). Р. 166-170.
DOI 10.31110/2413-1571-2018-018-4-028
В.Г. Шамоня, О.В. Семешхша
Сумський державний педагогiчний ушверситет iменi А.С. Макаренка, Украна
ВИВЧЕННЯ ЦИФРОВО1 ЛОГ1КИ У П1ДГОТОВЦ1 БАКАЛАВР1В З КОМП'ЮТЕРНИХ НАУК:
ПРАКСЕОЛОГ1ЧНИЙ П1ДХ1Д
Анотац'я. Устатт'1 наведено приклади двохлабораторнихробiт, як пропонуються майбутнм бакалаврам з комп'ютерних наук в рамках вивчення роздлу «Цифрова лог'ка» курсу «Архтектура комп'ютера».
Обфунтовано, що П/'дготовка сучасного фах'вця потребуе вiд закладу осв'ти використання сучасних iнформацiйниx засоб'!в. Це обумовлюе активне залучення праксеолопчного (дiяльнiсного) пдходу до навчання на кожному етапi освтнього процесу. Особливо це стосуеться п/'дготовки фаxiвцiв з комп'ютерних наук, для яких техн'мн'! i програмнi засоби е не скльки засобом використання, скльки об'ектом вивчення. Тому формування у них знань про логiчнi основи функ^онування iнформацiйниx систем на засадах праксеолог'чного пдходу мае важливе значення.
Метою статт'1 е висвiтлення доробку автор'в стосовно органiзацii практикуму з цифровоi логiки, яка вивчаеться майбутшми бакалаврами з комп'ютерних наук.
Використан методи: системний анал'!з наукових джерел для визначення найбльш важливих тем курсу, ретроспективний анал'з програмних засоб'в для моделювання ф'зичних процесiв, педагогiчний експеримент, анкетування.
Курс розбито на 11 тем : вивчення спектр'в гармонiчниx сигналiв; вивчення спектр'в модульованих сигналiв; вивчення фiльтрiв; вивчення базового елементу ТТЛ; вивчення базового елементу КМОП; вивчення комбiнацiйниx елементiв; вивчення мультив'братор'!в; вивчення тригерiв; вивчення суматора; вивчення л'чильник'!в; вивчення арифметико-лог'чного пристрою.
Наведено завдання та ix в'зуальна пдтримка для тем «Вивчення спектр'в модульованих сигнал'в» та «Вивчення фiльтрiв».
Пiдтверджено, що виконання лабораторних робiт сприяе усв'домленню важливост'1 математичного моделювання у вiдтвореннi ф'!зичних процесiв, що в/'дбуваються у цифрових пристроях, а також позитивно впливае на рiвень навчальних досягнень майбутшх бакалавр'!в з комп'ютерних наук.
Кnючовi слова: вивчення цифровоiлогiки, п/'дготовка бакалавр'!в з комп'ютерних наук, праксеолог'!чний п'дх'д, практикум
Шдготовка сучасного фахiвця потребуе вщ закладу ocBi™ використання сучасних шформацшних 3aco6iB. Це обумовлюе активне залучення праксеолопчного ^яльысного) пщходу до навчання на кожному етат освiтнього процесу. Особливо це стосуеться пщготовки фахiвцiв з комп'ютерних наук, для яких техычы i программ засоби е не сктьки засобом використання, сктьки об'ектом вивчення. Тому формування у них знань про лопчы основи функцюнування шформацшних систем на засадах праксеолопчного пщходу мае важливе значення.
Аналiз наукового доробку фiзикiв, математи^в, фахiвцiв у галузi комп'ютерно'' технти, серед яких роботи [1-5], дозволив визначити напрямки, на яких варто зосередити увагу для формування у бакалаврiв з комп'ютерних наук знань про лопчы основи функцюнування комп'ютерiв, а саме розумшня цифрово'' лопки у робот шформацшних систем.
Метою статт е висв™ення доробку авторiв стосовно оргаызацп практикуму з цифрово'' лопки, яка вивчаеться майбутыми бакалаврами з комп'ютерних наук.
Використаш методи: системний аналiз наукових джерел для визначення найбтьш важливих тем курсу, ретроспективний аналiз програмних засобiв для моделювання фiзичних процеав, педагопчний експеримент, анкетування.
Курс цифрово'' лопки викладаеться, як правило, як складова частина курсу «Архтектура комп'ютера» тсля курсу мтроелектронти. Зпдно з класичною штерпретащею архггектури обчислювально'' системи (Е. Танненбаум), цифровий лопчний рiвень займае основоположну пози^ю в структурi апаратно'' частини ЕОМ.
ISSN 2413-158X (online) ISSN 2413-1571 (print)
Задача курсу - сформувати у майбутых бакалаврiв з комп'ютерних наук бачення основних лопчних та арифметичних операцiй на апаратному рiвнi з метою подальшого вивчення програмно! компоненти обчислювально! системи.
Ми бачимо розбиття курсу на такi лабораторнi роботи:
1) Вивчення спектрiв гармонiчних сигналiв;
2) Вивчення спектрiв модульованих сигналiв;
3) Вивчення фiльтрiв;
4) Вивчення базового елементу ТТЛ;
5) Вивчення базового елементу КМОП;
6) Вивчення комбЫацшних елеметчв;
7) Вивчення мультивiбраторiв;
8) Вивчення тригерiв;
9) Вивчення суматора;
10) Вивчення лiчильникiв;
11) Вивчення арифметико-лопчного пристрою.
Виконання кожно! роботи передбачае використання спецiалiзованих комп'ютерних середовищ: СКМ MAPLE або пакет PROTEUS 7.10.
Нижче наведемо опис ктькох лабораторних робгт. Лабораторна робота. Вивчення спектр'в модульованихc^Hanie.
Мета роботи: навчитись будувати математичн моделi модульованих сигналiв i спостерiгати !х спектри в середовищi математичного пакету MAPLE.
Обладнання: ПК зi встановленою ОС Windows7 (або вище) та встановленим пакетом MAPLE8 (або вище). Питання до вхiдного контролю знань:
1. Гармоычний сигнал.
2. Види модуляцп.
3. Амплiтудна модуля^я
4. Кутова модуляцiя та и види
5. Спектри модульованих сигналiв Завдання до виконання
1.Завантажити процедуру вщображення спектру, створену на попередньому занятп. Спостерiгати спектр та часову характеристику амплггудно модульованого сигналу. Використати команди для вiзуалiзацi!: m:=0.3:k:=6:
ff:=(1+m*sin(x))*sin(k*x); plot([ff,1+m*sin(x)],x=-8..8,color=[black,red]);
Використати команди для спостереження спектру ампл^дно-модульованого сигналу:
> fff:=fu(ff,2*3.14,15):
> aaa:=convert(ax,list):
> display(aaa);
2.Спостерiгати спектр та часову характеристику частотно-модульованого сигналу.
Використати команди:
m:=0.3:k:=10:
ff:=sin((1+m*sin(x))*k*x);
plot({ff,1+0.3*sin(x)},x=-2*Pi..2*Pi);
Використати команди для спостереження спектру амплпудно модульованого сигналу:
> fff:=fu(ff,2*3.14,80):
> aaa:=convert(ax,list):
> display(aaa);
Методичний коментар. Зауважимо, що розрахунки ресурсоемы, тому в командi заметь числа п вказуемо 3.14. Для закртлення додатково пропонуемо змiнити глибину модуляцп m=0.1, m=0.5 i повторити обчислення для спостереження часових та спектральних характеристик.
Лабораторна робота. Вивчення фiльтрiв
Мета роботи: навчитись розраховувати та будувати прост фтьтри i дослщити '¡х спектри в симуляторi PROTEUS. Питання вхiдного контролю:
1.Сигнали i ¡х рiзновиди
2. Ряд Фур'е, гармонии
3.Активнi та реактивнi елементи електричних кт
4.Фiльтри, ¡х рiзновиди
5.Формули розрахунку одноланкових RC, RL та LC фшь^в
Завдання до виконання
Запустити симулятор PROTEUS вщ iменi адмiнiстратора. В середовищi PROTEUS вибрати i3 бiблiотеки наступнi елементи: RES, CAP, IND-AIR
Для дослщження фть^в необхiдно зiбрати чотиричастотний генератор з частотами 120 Гц, 240 Гц, 480 Гц, 960 Гц. Його спектр добре спостер^ати на резистивному подтьнику 1:1, як показано на рис. 1.
Для дослщження RC фть^в верхшх та нижых частот розраховують частоту зрiзу фтьтру (частота зрiзу - це така частота, на яюй коефiцieнт передачi зменшуеться вдвiчi), виходячи iз значення опору резистора.
_ 1 _ 1 ^ = 2ÜRC = 2 * л * 104 * 50 * 10-9 ~318(Гц)
Досить часто виникае зворотна задача: розрахувати елементи фтьтру за заданою частотою зр^зу. Для вирiшення ц^е'| задачi використовують як вихiдну, цю ж саму формулу, виразивши з неТ емнiсть конденсатора.
Дослiдження виконують на тому ж генераторi, що i для попередньоТ задачi. В схемi лише виконують замiну нижнього плеча подтьника на конденсатор, реактивний емысний опiр якого е функщею частоти.
Змiнену схему i ТТ Фур'е аналiз показано на рис. 2.
Завдання для самост'шного виконання: заметь мкцями резистор R1 та конденсатор C1. Виконайте Фур'е-аналiз. Який фтьтр одержали в результатi?
Дослiдження RL фiльтрiв. Складпъ схему (рис. 3). Проаналiзуйте. За якою формулою слщ розраховувати частоту зрiзу?
ПомЫяйте мiсцями R1 та L1, виконайте аналiз. Який тепер одержали фтьтр?
Рис. 3
Рис. 4
Досл'!дження RLCфiльтрiв. 1 - смуговий фтьтр.
Повний розрахунок фтьтру трудозатратний, проте
резонансна частота розраховуеться досить просто за
f=
Складпъ схему (рис.4) та виконайте Фур'е-аналiз. Чи вiдповiдае спектр формулi
формулою Томпсона
Томпсона?
2 - загороджувальний фтьтр.
Помшяйте мкцями резистор та ланцюжок 1.1С1. Виконайте аналiз. Як пояснити одержаний результат з позицш закону збереження енергп? З точки зору роботи подтьника напруги?
Як показуе досвiд, виконання лабораторних робп- сприяе усвiдомленню важливостi математичного моделювання у вщтворены фiзичних процеав, що вщбуваються у цифрових пристроях, а також позитивно впливае на рiвень навчальних досягнень майбутнiх бакалаврiв з комп'ютерних наук.
Список використаних джерел
1. Харрис Д.М., Харрис С.Л. Цифровая схемотехника и архитектура компьютера. Morgan Kaufman. 2013. перевод 2015. 1621с.
2. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. т.1, т.2 М. Мир. 1984. 598с.
3. Першин В.Т. Основы современной радиоэлектроники. Ростов н/Д. Феникс, 2009. 541с.
4. Забродин Ю.С. Промышленная электроника. М.. Высшая школа. 1982. 495с.
5. Каяцкас А.А. Основы радиоэлектроники. М. Высшая школа. 1988. 462с.
References
1. Xarry's D.M., Xarry's S.L. Cyfrovaya sxemotexny'ka y~ arxy'tektura komp'yutera, Morgan Kaufman, 2013, perevod 2015, 1621s.
2. Xorovy'cz P., Xy'll U. Y'skusstvo sxemotexny~ky\ t.1, t.2 - M.,My>,1984,598s.
3. Pershy'n V.T. Osnovy sovremennoj rady^lektrony~ky~, Rostov n/D, Feny~ks, 2009, 541s.
4. Zabrody'n Yu.S. Promyshlennaya elektrony'ka, M., Vysshaya shkola, 1982, 495s.
5. Kayaczkas A.A. Osnovy rady~oelektrony~ky~, M., Vыsshaya shkola, 1988, 462s.
STUDY OF DIGITAL LOGIC IN PREPARATION OF COMPUTER SCIENCES BACHELORS: PRAXSEOLOGICAL APPROACH
Shamonya V., Semenikhina O.
Makarenko Sumy State Pedagogical University, Ukraine Abstract. The article gives examples of two laboratory works that are offered to future bachelors in computer sciences as a part of the study of the section "Digital Logic" of the course "Computer Architecture".
It is substantiated that the training of a modern specialist requires the use of modern information tools from the educational institution. This leads to the active involvement of the praxis (activity) approach to learning at each stage of the
educational process. This is especially true for the training of computer science specialists, for which technical and software tools are not as a means of use, but as an object of study. Therefore, the formation of their knowledge of the logical foundations of the functioning of information systems on the principles of the praxeological approach is important.
The purpose of this article is to highlight the authors' revision of the organization of a workshop on digital logic that is being studied by future bachelors in computer science.
Used methods: systematic analysis of scientific sources for determining the most important topics of the course, retrospective analysis of software tools for modeling physical processes, pedagogical experiment, questionnaires.
The course is divided into 11 topics: the study of spectra of harmonic signals; study of spectra of modulated signals; study of filters; study of the basic element of TTL; study of the basic element of CMOS; study of combining elements; study of multivibrators; study of triggers; study of the adder; study of counters; study of the arithmetic-logic device.
The task and their visual support for the topics "Study of Modulated Signal Spectra" and "Study of Filters" are given.
It is confirmed that the implementation of laboratory works contributes to the awareness of the importance of mathematical modeling in reproducing the physical processes occurring in digital devices, and also positively affects the level of educational achievements of future bachelors from computer sciences.
Key words: study of digital logic, preparation of bachelors on computer sciences, praxeological approach, workshop.
