Конфигурируемый учебный стенд Российский патент 2024 года по МПК G09B23/00 

Изобретение относится к области образовательного оборудования для студентов и школьников. Устройство может быть использовано для обучения основам аналоговой и цифровой схемотехники, углубленного изучения специальных разделов информатики, физики (раздел «электричество»), основам методов оптимизации схем и кодирования информации, основам электротехники. Устройство может быть использовано для организации внеурочной деятельности в школе или встроено в образовательный процесс в рамках модульного урока технологии.

Известно устройство - стенд для изучения электронных средств автоматизации (патент РФ №2279718). Устройство включает в себе набор резисторов, конденсаторов, диодов, логических вентилей, дешифраторов, триггеров, счетчиков, аналоговых компараторов (для построения четырехразрядных аналогово-цифровых преобразователей (АЦП)) и вольтметр.

Недостатками описанной конструкции являются не предназначенность для изучения аналоговых элементов, отсутствие Амперметра на стенде, что не позволяет проводить измерение силы тока, а, следовательно, и потребляемой мощности изучаемой компонентной базы, кроме этого, при обучении за данным стендом, ученик работает только с условным графическим обозначением реальных компонентов, конструкция устройства не позволяет получить практических навыков работы с физическим воплощением электронных компонентов.

Наиболее близким по технической сущности заявляемому устройству является учебный стенд по электронике (патент RU 2636020, опубл.2017), включающий источник питания, блок генераторов сигналов, устройства для измерения токов и напряжений, двухканальный осциллограф, аналоговые компоненты, размещенные на его рабочей поверхности, стенд дополнительно содержит цифровые электронные компоненты, выполнен конфигурируемым и снабжен унифицированными имеющими одинаковый геометрический размер и крепежные отверстия печатными платами, закрепленными на верхней поверхности стенда на унифицированных крепежных местах, снабженных по меньшей мере двумя контактными элементами, при этом в качестве объектов изучения используются и аналоговые, и цифровые электронные компоненты, расположенные на верхнем слое унифицированных печатных плат.

Недостатком прототипа является ограниченное количество слотов под печатные платы, что существенно понижает конфигурируемость стенда. Питание данного устройства производится от 220В, что исключает возможность автономной работы стенда. Блок преобразования напряжения находится внутри стенда, что кратно увеличивает его массогабаритные показатели. Крепление каждого модуля производится винтами непосредственно к рабочей поверхности, что также лишает стенд мобильности. Использование штекеров в качестве разъёмов для сборки схем увеличивает риск короткого замыкания при эксплуатации стенда. Генераторы переменного напряжения имеют необоснованно усложненное управление, что негативно сказывается на процессе обучения. Корпус устройства представляет собой сборную конструкцию, что вызывает неудобство при использовании устройства и снижает его прочность.

Задачи заявляемого технического решения – обеспечение автономной работы образовательного стенда, вследствие автономности работы обеспечивается мобильность, с одновременным обеспечением электробезопасности.

Технический результат, указанный выше, достигается тем, что конфигурируемый учебный стенд содержит источник питания, цифровые и аналоговые компоненты, при этом стенд снабжен унифицированными печатными платами с крепежными отверстиями, платы закрепляются на верхней поверхности корпуса стенда на унифицированных крепежных местах, отличающееся тем, что корпус стенда выполнен монолитным и содержит слоты для установки печатных плат, на корпусе закреплена управляющая плата, на которой размещён унифицированный разъем питания USB, при этом управляющая плата соединена с центральной платой, на которой размещены источники постоянного напряжения, при этом напряжение питания стенда составляет около 5 В. Корпус стенда выполнен из прозрачного оргстекла. Конфигурируемый учебный стенд содержит блок генераторов сигналов, двухканальный осциллограф, блок отладки, блок семисегментной индикации.

Создана конструкция корпуса и модулей стенда, позволяющая размещать модули стенда в удобной для пользователя конфигурации посредством соблюдения единообразности печатных плат и конфигурации крепёжных мест. В устройстве предусмотрено достаточное количество слотов под печатные платы, что существенно повышает конфигурируемость стенда. Конструкция корпуса выполнена монолитной и прозрачной, преимущественно, из оргстекла и предназначена для размещения единообразных печатных плат и модулей стенда, при этом благодаря диэлектрическим свойствам оргстекла обеспечивается электробезопасность корпуса. Выполнение корпуса из прозрачного оргстекла также повышает наглядность сборки. Стенд имеет малые габариты, что повышает его мобильность. Так, размер корпуса-1 составляет 230х205 мм, управляющая плата 225х61 мм.

Электрическая схема питания разработана таким образом, что напряжение питания стенда составляет 5 В и изолировано от сети, что повышает электробезопасность при работе со стендом. Схема позволяет работать устройству в автономном режиме. Унифицированный разъем питания USB (USB A/B и USB micro) позволяет подключать стенд к любым устройствам питания, имеющим подобные разъемы.

Конфигурируемость стенда достигается за счёт наличия широкой линейки компонентной базы, охватывающей, как аналоговую, так и цифровую схемотехнику, и осуществления возможности обновления модульной базы стенда, без вынужденного приобретения нового стенда.

Штыревые разъемы модулей защищены от случайного короткого замыкания. Разъемы модулей представляют из себя преимущественно двухрядные (PBD) гнезда со штыревыми выводами, которые устанавливаются на плату. Штыревые разъёмы обеспечивают временное и съёмное безопасное соединение, выдерживают многократные вставки и соединения.

На фиг.1 представлен общий вид устройства стенда, вид спереди,

на фиг.2 - общий вид устройства стенда, вид сзади,

на фиг.3 – главная управляющая плата и корпус с центральным модулем,

на фиг.4 - общий вид устройства стенда, вид спереди,

на фиг.5 – примеры модулей (печатных плат),

на фиг.6,7 – представлен пример обучения электрической схеме «Делитель напряжения»,

на фиг.7 представлена схема сборки простейшего термодатчика,

на фиг.8 представлен простейший датчик света, на фиг.9 представлен датчик света с защитой от ложных срабатываний.

Устройство содержит корпус–1, закреплённую в корпусе-1 управляющую плату–2, осуществляющую управление устройством.

На управляющей плате-2 располагаются:

- разъёмы питания-3 (разъёмы micro-USB и mini-USB),

- блок генераторов-4 переменного напряжения (напряжение в интервале от 0 до +5 Вольт),

- энкодеры-5, осуществляющие управление режима работы блока генераторов-4,

- миниосциллограф-6,

- логический пробник-7 (набор SMD светодиодов),

- семисегментные индикаторы-8 (2 индикатора со встроенным дешифратором и один без),

- кнопка без фиксации-9,

- кнопка с подключенным выводом питания -10,

- потенциометр 11.

Центральный модуль-12, на котором располагаются выводы питания для собираемых схем (модуль становится источником постоянного напряжения). Центральный модуль-12 соединен с управляющей платой-2 и представляет собой три независимых источников постоянного напряжения в +5 В, +3,3 В, -5 В.

На корпусе-1 предусмотрено достаточное количество слотов-13 под отдельные модули, представляющие собой печатные платы одинакового размера с вмонтированными электронными компонентами, микросхемами и выводами для подключения. Слоты - 13 выполнены с крепёжными отверстиями-14.

Например, модуль с набором резисторов различного типа корпусирования и номиналов сопротивления, модуль с набором конденсаторов различного типа корпусирования и номиналов ёмкости, модуль с набором биполярных транзисторов разных типов и видов корпусов, модуль с набором выводных диодов и зуммер, микросхема AD8544, представляющая собой 4 операционных усилителя, модуль с фоторезистором, терморезистором и оптопарой, модуль с реле, датчик Холла, микросхема NE556 – таймер, модуль с микросхемой К555ЛЕ1 – 4 логических вентилей NOR, модуль с микросхемой 74HCOO – 4 логических вентилей NAND, модуль с микросхемой 564LP2 – 4 логических вентилей XOR, модуль с микросхемой 74HC154 – Дешифратор, модуль с микросхемой 74HC151 – Мультиплексор, модуль с микросхемой 74AHC74 – D-триггер, модуль с микросхемой CD4029 – Счётчик, модуль с микросхемой 74HC299 – Сдвиговый регистр, модуль с микросхемой IS62LV256AL – Статическая память.

Устройство работает следующим образом.

Данный стенд работает от напряжения питания 5 В. Питание подаётся на разъёмы питания-3, расположенные в верхней части управляющей платы-2. Ток потребления стенда в нормальном режиме составляет 100 мА, что позволяет обеспечить работу стенда от серийного зарядного устройства для телефона или от внешнего аккумулятора — мобильного зарядного устройства, которое имеет разъем USB (Power Bank).

На управляющей плате-2 расположен блок генераторов-4 переменного напряжения, который состоит из двух цифровых генераторов переменного напряжения и два аналоговых. При помощи энкодеров-5 настраивается частота, скважность, амплитуда, форма сигнала.

Также в блоке генераторов-4 находится светодиодная индикация, позволяющая оценить режимы работы генераторов. В правой части управляющей платы располагается блок отладки, который состоит из логического пробника-7 и блока семисегментных индикаторов-8. В левой части управляющей платы расположен осциллограф-6.

Для начала работы следует соединить электронные компоненты, расположенные на печатных платах, по определённой электрической схеме с помощью соединительных проводов типа штекер-штекер (папа-папа). Питание электрической схемы подключается с центрального модуля-12.

Для проверки правильности работы собранной схемы, для случая качественной проверки (есть напряжение/сигнал или нет), можно использовать светодиоды на логическом пробнике-7, расположенном в правой части управляющей платы-2. А для количественной оценки можно использовать осциллограф-6. Для подключения осциллографа требуется его включить (перевести ползунок, расположенный на боковой поверхности экрана осциллографа из позиции off в позицию on), подключить измерительные щупы соответствующем образом к осциллографу-6. Далее выводы этих щупов подключаются к участку исследуемой схемы, и на экране осциллографа-6 отображается эпюр напряжения. С помощью боковых ползунков-колёсиков осциллографа-6 можно производить настройку режимов работ.

Пример обучения электрической схеме «Делитель напряжения» (см.фиг.6,7). Делитель напряжения — устройство, в котором входное и выходное напряжение связаны коэффициентом передачи. Ток, протекающий через R1 и R2 одинаков, пока к Uout ничего не подключено. Зная ток в цепи и номиналы резисторов, можно рассчитать падение напряжения на втором резисторе, в общем виде формула выглядит следующим образом:

Для подключения генератора переменного сигнала разберемся как он устроен на стенде. На управляющей плате установлены аналоговые и цифровые генераторы. Ch1 и Ch2 - аналоговый сигнал, Сh3 и Ch4 – цифровой. Каждый из каналов обладают светодиодной индикацией. Для выбора необходимого канала необходимо нажать на энкодер, отмеченный на рисунке цифрой (15). Красный светодиодный индикатор должен загореться под нужным каналом.

Аналоговый генератор обладает несколькими видами сигнала: синусоидальный; пилообразный; треугольный. Для выбора необходимого вида сигнала на аналоговом генераторе убедитесь, что светодиодный индикатор горит под каналом аналогового генератора, а затем, нажимая на энкодер, отмеченный на рисунке цифрой (16), можете выбрать нужный. При вращении энкодера (15) изменяется частота сигнала, а при вращении энкодера (16) изменяется его амплитуда. Вид сигнала на выходах цифрового генератора – прямоугольный. Схемотехнически генераторы уже заземлены на стенде. В качестве демонстрации работы делителя напряжения подключим источник синусоидального сигнала на вход делителя напряжения, а к выходу подключим осциллограф.

Пример обучения электрическим схемам «Датчик света и температуры» (см. фиг.7,8,9).

Фоторезистор — резистор, который меняет свое сопротивление под действием света на светочувствительную поверхность. Чем больше интенсивность, тем меньше его сопротивление. Терморезистор — резистор, изменяющий свое сопротивление под действием температуры. Данные устройства берутся за основу при построении простейших датчиков света и температуры, которые представляют собой делители напряжения. Выходное напряжение зависит от воздействий на фоторезистор (изменение освещенности) и терморезистор (изменение температуры). На фиг.7 представлена схема сборки простейшего термодатчика. На фиг.8 представлен простейший датчик света. При сборке датчика света может возникнуть проблема, связанная с ложными срабатываниями, возникающая из-за бликов и вспышек. Проблема решается путем добавления в схему фильтра нижних частот. RC цепь сглаживает входной сигнал за счет накопления энергии на конденсаторе. На фиг.9 представлен датчик света с защитой от ложных срабатываний.

После проведения занятия на стенде, следует отсоединить все соединительные провода и отключить питание стенда.

Использование изобретения позволяет изучать большее количество компонентов и схем, упрощает аппаратное обеспечение лабораторных работ, облегчает пользование благодаря возможности его конфигурирования в соответствии с потребностями пользователя, а также дает возможность быстро заменять неисправные компоненты. Кроме этого, использование изобретения позволяет снизить стоимость аппаратуры за счёт наличия широкой линейки компонентной базы, охватывающей, как аналоговую, так и цифровую схемотехнику, и осуществления возможности обновления модульной базы стенда, без вынужденного приобретения нового стенда.

Изобретение относится к области образовательного оборудования для студентов и школьников. Устройство может быть использовано для обучения основам аналоговой и цифровой схемотехники, углубленного изучения специальных разделов информатики, физики (раздел «электричество»), основам методов оптимизации схем и кодирования информации, основам электротехники. Конфигурируемый учебный стенд содержит источник питания, цифровые и аналоговые компоненты, при этом стенд снабжен унифицированными печатными платами с крепежными отверстиями, платы закрепляются на верхней поверхности корпуса стенда на унифицированных крепежных местах, отличается тем, что корпус стенда выполнен монолитным и содержит слоты для установки печатных плат, на корпусе закреплена управляющая плата, на которой размещён унифицированный разъем питания USB, при этом управляющая плата соединена с центральной платой, на которой размещены источники постоянного напряжения, при этом напряжение питания стенда составляет около 5 В. Корпус стенда выполнен из прозрачного оргстекла. Конфигурируемый учебный стенд содержит блок генераторов сигналов, двухканальный осциллограф, блок отладки, блок семисегментной индикации. 2 н.п. ф-лы, 9 ил.

1. Конфигурируемый учебный стенд, содержащий источник питания, цифровые и аналоговые компоненты, при этом стенд снабжен унифицированными печатными платами с крепежными отверстиями, платы закрепляются на верхней поверхности корпуса стенда на унифицированных крепежных местах, отличающийся тем, что корпус стенда выполнен монолитным и содержит слоты для установки печатных плат, на корпусе закреплена управляющая плата, на которой размещён унифицированный разъем питания USB, при этом управляющая плата соединена с центральной платой, на которой размещены источники постоянного напряжения.

2. Конфигурируемый учебный стенд по п.1, отличающийся тем, что корпус стенда выполнен из прозрачного оргстекла.

3. Конфигурируемый учебный стенд по п.1, отличающийся тем, что содержит блок генераторов сигналов, двухканальный осциллограф, блок отладки, блок семисегментной индикации.