УЧЕБНЫЙ СТЕНД ПО ЭЛЕКТРОНИКЕ Российский патент 1996 года по МПК G09B23/18 

Изобретение относится к области обучающих устройств и может быть использовано для закрепления практических навыков работы с электрическими схемами.

Известны учебные стенды для проведения лабораторных работ фронтальным методом, который является наиболее рациональным и заключается в параллельном выполнении обучаемыми одинаковых лабораторных работ [1, 2]
При исследовании электрических схем моделируемых функциональных узлов на учебных лабораторных стендах предпочтительно использование в качестве измерительного прибора многоканального осциллографа, так как отображение на его экране одновременно нескольких временных диаграмм создает наглядность и облегчает понимание электрических процессов в исследуемых электрических схемах.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату можно считать учебный стенд по электронике [2] Известное устройство содержит источник входных сигналов, блок питания и блок органов управления, соединенные через устройство коммутации со входами исследуемых электрических схем, включающих представленные в виде накладных панелей моделируемые функциональные узлы электрических схем, и панель с контрольными гнездами.

Одним из недостатков известного устройства является низкая надежность, обусловленная возможностью выхода из строя электрических схем моделируемых функциональных узлов при ошибках в подключении измерительных приборов, особенно осциллографа. Это обусловлено тем, что по условиям эксплуатации корпуса стенда и осциллографа заземляются и при ошибочном подключении кабеля осциллографа заземленным штекером на выход исследуемого моделируемого узла возможно образование короткозамкнутого контура. Кроме того, в известном устройстве в процессе работы на стенде отвлекается внимание обучающегося на переключение осциллографа для определения оси времени отражаемых сигналов. При этом не обеспечивается одновременное представление на экране осциллографа формы и временной оси исследуемых сигналов. Это сужает дидактические возможности стенда, затрудняет обработку и анализ полученных осциллограмм, а также усложняет работу со стендом и увеличивает время проведения измерений. Снижаются преимущества фронтального метода проведения исследований на стенде с помощью многоканального осциллографа.

Для устранения указанных недостатков усовершенствуется известный учебный стенд по электронике, содержащий источник входных сигналов, блок питания и блок органов управления, соединенные через устройство коммутации со входами блоков электрических схем, включающих представленные в виде накладных панелей моделируемые узлы электрических схем, и панель с контрольными гнездами. Отличие предлагаемого учебного стенда от известного состоит в том, он снабжен блоком защиты моделируемых узлов электрических схем от короткого замыкания и последовательно включенными блоком развертывания временной оси отображаемых сигналов и многоканальным осциллографом, выход развертки которого соединен с управляющим входом блока развертывания временной оси, отображаемых сигналов, при этом выходы молекулярных узлов электрических схем через последовательно включенные блок защиты моделируемых узлов электрических схем от короткого замыкания и контрольные гнезда панели связаны с информационными входами блока развертывания временной оси отображаемых сигналов. Блок защиты моделируемых узлов электрических схем от короткого замыкания выполнен на резисторах, выводы которых являются входами и выходами блока защиты моделируемых узлов электрических схем. Блок развертывания временной оси отображенных сигналов имеет ключи и компаратор, соединенный выходом с управляющими входами ключей, выходы которых являются выходами блока развертывания временной оси отображаемых сигналов, информационными входами которого являются вторые входы ключей, а управляющими входами входы компаратора. Блок защиты моделируемых узлов электрических схем устраняет возможность коротких замыканий в последних при ошибках и проведении измерений с помощью осциллографа. Наличие в стенде блока развертывания временной оси отображаемых сигналов обеспечивает возможность совместного отображения на экране осциллографа участков временной оси и исследуемых сигналов, что расширяет дидактические возможности стенда, упрощает работу с ним и сокращает время проведения работ.

На фиг. 1 представлена структура учебного стенда, на фиг. 2 временные диаграммы, иллюстрирующие работу блока развертывания временной оси отображаемых сигналов.

Учебный стенд по электронике содержит источник 1 входных сигналов, блок 2 питания, блок 3 органов управления, устройство 4 коммутации, блоки 5 электрических схем, включающих моделируемые функциональные узлы, которые представлены в виде сменных накладных панелей 6, панель 7 с контрольными гнездами 8 и гнездами 9, блок 10 развертывания временной оси отображаемых сигналов, блок 11 защиты моделируемых узлов электрических схем от короткого замыкания, источник 13 напряжения задания. В качестве измерительного прибора используется многоканальный осциллограф 14.

Источник 1 входных сигналов предназначен для формирования электрических сигналов с регулируемыми параметрами. Блок 3 органов управления представляет собой набор потенциометров и предназначен для задания режимов работы исследуемых электрических схем функциональных узлов.

Устройство 4 коммутации содержит кнопочные переключатели и предназначено для подключения блока питания 2, источника 1 входных сигналов и блока 3 органов управления к соответствующему блоку 5, включающему электрические схемы функциональных узлов, которые исследуются в заданной лабораторной работе.

Блоки 5 электрических схем содержат аналоговые и импульсные схемы функциональных узлов, которые сгруппированы и объединены в отдельные лабораторные работы, выполняемые фронтальным методом.

Каждая накладная панель 6 содержит условное изображение электрических схем моделируемых функциональных узлов для одной лабораторной работы.

На фиг. 1 в качестве примера электрической схемы моделируемого функционального узла представлена схема генератора треугольного напряжения, состоящая из операционных усилителей 15 и 16, резисторов 17 19 и конденсатора 20.

Панель 7 представляет собой набор контрольных гнезд 8, к которым подключены исследуемые выходы электрических схем функциональных узлов через резисторы 12 блока 11 защиты, и гнезд 9, к которым подсоединены информационные входы блока 10 развертывания временной оси отображения сигналов. На фиг. 1 панель 7 условно изображена в виде двух частей.

Блок 10 развертывания временной оси отображаемых сигналов содержит ключи 21 23, управляющие входы которых соединены с выходом компаратора 24, входы которого являются управляющими входами блока 10. При этом один вход компаратора 24 связан с источником 13 напряжения задания, а другой вход подключен к выходу 25 развертки осциллографа 14. Другие входы ключей 21 23 блока 10 развертывания временной оси отображаемых сигналов являются информационными входами последнего и подсоединены к гнездам 9 панели 7, которые, например, с помощью внешних проводников 26 связаны с гнездами 8 панели 7. Выходы моделируемых узлов электрических схем 5 через последовательно включенные блок защиты 11 моделируемых узлов электрических схем от короткого замыкания и контрольные гнезда 8, 9 связаны с информационными входами блока 10 развертывания временной оси отображаемых сигналов и далее с сигнальными входами осциллографа 14.

Блок 11 защиты моделируемых узлов электрических схем от короткого замыкания выполняется на резисторах 12 сопротивлением, например несколько килоом.

Осциллограф 14 имеет большое входное сопротивление, поэтому наличие в последовательной цепи измерений выходных параметров моделируемых узлов электрических схем резисторов 12 блока 11 защиты практически не оказывает влияния на результаты измерений.

В устройстве предусмотрено также внешнее соединение корпуса осциллографа 14 с большим гнездом 27 панели 7 стенда.

На диаграммах напряжений (фиг. 2) введены следующие обозначения:
U_р напряжение развертки;
U_з напряжение задания;
U_к напряжение на выходе компаратора;
U₁₅, U₁₆ осциллограммы контролируемых напряжений на выходах операционных усилителей 15 и 16;
t_o, t₂ моменты начала и конца прямого хода развертки;
t₁ момент срабатывания компаратора при U_р ≥ U_з;
Δt_n участок развертывания временной оси отображаемых сигналов;
T_n длительность развертки.

Устройство работает следующим образом.

Обучаемый в соответствии с заданием устанавливают накладную панель 6 с моделируемыми функциональными узлами электрической схемы 5 исследуемой лабораторной работы. Далее с помощью внешних проводников 26 соединяются гнезда 9 входов блока 10 развертывания временной оси отображаемых сигналов с соответствующими контрольными гнездами 8 панели 7. Корпус осциллографа 14 подключается к гнезду 27 панели 7 стенда. Включается осциллограф 14, и с помощью устройства 4 коммутации подается питание от блока 2, а также входные сигналы от источника 1 к соответствующему блоку 5 электрических схем, переводя его в рабочее состояние. С помощью блока 3 органов управления задаются различные режимы работы для исследуемых электрических схем моделируемых функциональных узлов. Обучаемый приступает к измерениям.

Блок 10 развертывания временной оси отображения сигналов для примера, представленного на накладной панели 6 (фиг. 1), работает следующим образом.

Начиная с момента t_o, напряжение U_р развертки линейно нарастает. В интервале t_o t₁ на выходе компаратора 24 присутствует высокий уровень напряжения U_к, который поддерживает ключи 21 и 22 в замкнутом состоянии, тем самым обеспечивая прохождение отображаемых сигналов на входы осциллографа 14. В интервале t₁ t₂ напряжение развертки U_р становится больше напряжения задания U_з, и на выходе компаратора устанавливается низкий уровень напряжений U_к, который размыкает ключи 21, 22. При этом прекращается подача отображаемых сигналов на входы осциллографа 14, что фиксируется на экране развертыванием временной оси отображаемых сигналов. Осциллограммы отображаемых сигналов U₁₅, U₁₆ изображены на фиг. 2 в, г, на участке T_n, а временные оси на участке Δt_n
Изменяя напряжение задания U_з, можно по желанию увеличивать или уменьшать участки Δt_n развертывания временной оси отображаемых сигналов U₁₅, U₁₆ одновременно по всем входам осциллографа. В случае необходимости изменения длительности развертки T_n будет пропорционально изменяться и интервал Δt_n при том же самом напряжении задания U_з. При этом отношение Δt_n /T_n сохраняется постоянным, т.е. участки временной оси на экране осциллографа 14 не зависят от длительности развертки и определяются только величиной напряжения задания.

Обучаемый в процессе выполнения работы может допустить ошибки, например, когда корпус осциллографа 14 подключается непосредственно на контролируемый выход электрической схемы моделируемого функционального узла к гнезду 8. Аналогичная ситуация возникает, если один вывод соединительного проводника 26 подключен на контролируемый выход электрической схемы функционального узла к гнезду 8, а второй случайно коснется заземленного корпуса стенда. В обоих случаях короткозамкнутый контур не возникает благодаря наличию в последовательной цепи измерений между выходами электрических схем моделируемых функциональных узлов и контрольными гнездами 8 резисторов 12. При этом резисторы 12 не влияют на отображаемые на экране осциллографа 14 сигналы, т.к. он имеет весьма большое входное сопротивление.

Перед началом следующей лабораторной работы производится смена накладной панели на стенде. Подготовка к измерениям выполняется аналогично изложенному выше.

Сущность изобретения: устройство содержит: 1 источник входных сигналов (1), 1 блок питания (2), 1 блок органов управления (3), 1 устройство коммуникации (4), блоки электрических схем (5), сменные накладные панели (6), 1 панель (7), контрольный гнезда (8), гнезда (9), 1 блок развертывания временной оси отображаемых сигналов (10), 1 блок защиты моделируемых узлов электрических схем от короткого замыкания (11), резисторы (12), 1 источник напряжения задания (13), 1 многоканальный осциллограф (14). 1-4-(5,6)-11-7-10-14, 7-14, 13-10, (2,3)-4. 2 ил.

1. Учебный стенд по электронике, содержащий источник входных сигналов, блок питания и блок органов управления, соединенные через устройство коммутации с входами блоков электрических схем, включающих представленные в виде накладных панелей моделируемые узлы электрических схем, и панель с контрольными гнездами, отличающийся тем, что он снабжен блоком защиты моделируемых узлов электрических схем от коротких замыканий и последовательно включенными источником напряжения задания, блоком развертывания временной оси отображаемых сигналов и многоканальным осциллографом, выход развертки которого соединен с управляющим входом блока развертки временной оси отображаемых сигналов, при этом выходы моделируемых узлов электрических схем через последовательно включенные блок защиты моделируемых узлов электрических схем от коротких замыканий и контрольные гнезда панели связаны с информационными входами блока развертывания временной оси отображаемых сигналов. 2. Стенд по п.1, отличающийся тем, что блок защиты моделируемых узлов электрических схем от коротких замыканий выполнен на резисторах, выводы которых являются входами и выходами блока защиты моделируемых узлов электрических схем. 3. Стенд по п.1, отличающийся тем, что блок развертывания временной оси отображаемых сигналов имеет ключи и компаратор, соединенный выходом с управляющими входами ключей, выходы которых являются выходами блока развертывания временной оси отображаемых сигналов, информационными входами которого являются вторые входы ключей, а управляющими входами входы компаратора.