CC BY
15
Scientific Research of the Union of Scientists in Bulgaria - Plovdiv, series B. Natural Sciences and Humanities, Vol. XVII, ISSN 1311-9192, International Conference of Young Scientists, 11 - 13 June 2015, Plovdiv
ВИЗУАЛНИ СИМУЛАЦИИ В ПРАКТИЧЕСКОТО ОБУЧЕНИЕ ПО АНАЛОГОВА СХЕМОТЕХНИКА С ПОМОЩТА НА ПРОГРАММ СРЕДA NI MULTISIM
Даниела Антонова Шехова Технически колеж - Смолян към ПУ „Паисий Хилендарски"
Abstract: The report aims to present how through the implementation of innovative electronic tools in teaching analog devices, the specific knowledge and its practical applications can be utilized more effectively so that the skills acquired will have a lasting impact. An interdisciplinary approach is used in the education of students, which allows them to learn how to use the knowledge acquired in various academic courses and to concentrate on the context of the current problem which has to be solved. A simulation model of a sinusoidal wave oscillator is developed in the NI Multisim environment, allowing visualization and understanding of the processes that are being investigated.
Увод
Интензификацията на учебния процес, чрез въвеждане на модерни методи на обучение с електронни средства и модели, е продиктувана от иновационната стратегия на фирмите и от необходимостта от издигане на качеството на практического обучение в техническите висши училища и колежи. Компютърните симулации са възприети като развиващи се решения за иновационно учене, целящо студентите да могат да сравняват симулирани резултати с изчислени и лабораторни в една среда. Чрез наслагване на симулирани и реални резултати, студентите изграждат здрава връзка на теорията с практиката, която ще използват в образованието и кариерата си. Компютърните технологии позволяват да се провеждат електронни лабораторни практикуми, пресъздаващи процесите, протичащи в изучаваните аналогови схеми. Това прави студентите по-мотивирани в обучението им по аналогова схемотехника.
Програмната среда Multisim притежава ключови ресурси за интерактивно изграждане на разбиране на аналоговите вериги. В доклада е представено как се използват някои от тези ресурси, за преподаване на осцилатор на синусоидални трептения в часовете за лабораторни упражнения по „Аналогова схемотехника" в Технически колеж - Смолян към ПУ „Паисий Хилендарски".
Визуални симулации
От лекционния курс по аналогова схемотехника студентите са запознати с теоретичните основи на RC генераторите с мост на Вин - Робинзон (RC генератори с квазирезонансна избирателна верига), използвани като осцилатори на синусоидални трептения в честотния диапазон до 100kHz [2], [3]. За нуждите на практического обучение по учебната програма на дисциплината са разработени симулационни модели на звеното, създаващо положителна обратна връзка (моста на Вин-Робинзон) и на генератора, използващ тази квазирезонансна избирателна верига.
1. Симулационен модел на мост на Вин - Робинзон
В средата на Ми1^т е създаден симулационен модел на четирираменния мост на Вин ((фиг. 1), изпълняващ положителната обратна връзка в 11С генератора [2], [3].
да
I ^
Фиг. 1. Симулационен модел на моста на Вин-Робинзон
Моделът на моста от фиг. 1 осигурява възможност студентите да:
■ устано вят балансираноте састояние на моста за квазщюзонансната честота 796 чрез показанията на електронните волтметри Ш и 112;
■ наблюдават и измерят напреженията в лявата и дясната част на моста (фиг. 3 и фиг. 4) с помощта на виртуален осцилоскоп Х[ С2, лицевият панел, на който не се различава от осцилоскопт, с който се извъриоват измервания в лаборавакията. С измеренитт стойности на напрежинияоа да изчислят квазирезонансния коефициент на предаоане по (фхэрчмтулаа:
(1)
17оШ 1Лп
■ измерят с осцилоскоп честотата, при която генераторът се възбужда и нелинейните изартявания на генерирания сигнал са минимални, 1сакто и да сравнят измерената с; азчислтнита стойност на честотата по формула (2) за С1=С2=С=1 0пР и 111=112=11=20 Ш;
(2)
I =
1
1
2п/С1С2Я1Я2 2ПС
, Hz.
□
V Г г.
Фиг. 2. Лицев панел на осцилоскопа при измерване параметрите еа сигнала на канал - СН1 (ООлй = 042тУ)
«¡■иг. 3. Лицев ранел на осцилоско па при измерванс параметрите на сигнала на канал - СН2 0^11= 2.83У)
С включения плотер на Боде-ХВР1 към моста на Вин студентите изследват амплитудно-честотната характеристика (АЧХ) на фиг. 5 и фазово-честотната характеристика (ФЧХ) на фиг. 6 [4]. Визуализираната АЧХ показва, че само при квазирезонансната честотаf=796Hz коефициентът на предаване моста е ß=1/3=333.33*10-3 За същата честота от ФЧХ с помощта на курсора на плотера се отчита, че фазовият ъгъл
между входното и изходното напрежение на моста е нула р = 0 Deg.
Фиг. 4. Амплитудно-честотната Фиг. 5. Фазово-честотна
характеристика характеристика
2. Симулационен модел на RC генератор с мост на Вин - Робинзон
При включване на операционен усилвател Ш - АЭ74Ш между т. А и т. В на моста от фиг.1 се получава симулационния модел на RC генератора от фиг.6. Процесите протичащи в схемата се визуализират, изследват и анализират с помощта на измервателните уреди: XSC1- осцилоскоп; ХБА1- анализатор на изкривявания и XFC1- цифров честотомер.
Фиг. 6. Симулационен модел на RC генератор с мост на Вин - Робинзон
С така създадената симулационна постановка студентите могат да формират умения за:
■ анализиране изменението на генерирания сигнал във времевата област и с помощта на курсора на осцилоскопа да отчитат времето необходимо за самовъзбуждане на осцилатора (фиг. 7);
■ работа с анализатор на нелинейни изкривяванията (фиг. 8), и сравняване на получените резултати с очакваните.
■ работа с цифров честотомер (фиг. 9). и да сравняване на получените резултати с изчислените.
Фиг. 7. Анализ във времевата област на генерираните трептения
Фиг. 9. Измерване на честотата на генерираните трептения
Заключение
При използването на визуални симулации в практическото обучение по аналогова схемотехника се констатираха следните обстоятелства: изграждат се умения у студентите да изследват аналогови схеми с виртуални контролно - измервателни инструменти; студентите проявяват по-голяма активност и увереност при изследването на устройството; обучаемите получават по-разбираеми и трайни знания за процесите, протичащи в генераторите на хармонични колебания. Използването на симулации и виртуални среди, обаче, не означава да се пренебрегне използването на реални обекти.
Бакалаврите в техническите колежи се нуждаят от съвременни електронни средства за обучение, за да участват активно в образователния процес. Интернет и модерните технологии имат безгранични възможности и позволяват многообхватно разнообразяване на средствата за обучение.
Литература
[1] Доневска Л., Д. Стаменов, И. Пандиев, К. Аспарухова, П. Якимов, „Ръководство за лабораторни упражнения по аналогова схемотехника", Издат. на ТУ - София, С., 2010.
[2] Пандиев И., Л. Доневска, Д. Стаменов, „Аналогова схемотехника - II", Издат. на ТУ - София, С., 2008.
[3] Марченко А, Основы электроники. Учебное пособие для вузов: ДМК Пресс, 2008.
[4] http://www.ni.com/multisim/benefits/education/.
Благодарности
Докладът е финансиран по проект НИ15-КС-016/24.04.2015 на ФНИ при ПУ „Паисий Хилендарски".
Фиг. 8. Измерване на нелинейните изкривявания
