Комплекты визуальных и расчетных лабораторных моделей по основам цифровой электронной обработки информации

Нанесение пасты на ПП производится посредством специального трафаретного принтера. Для работы с заданной ПП принтеру требуется трафарет, созданный для этой ПП. В случае с рассматриваемым примером трафарет был создан по субподряду. Для получения данных о контактных площадках по пункту меню «Fabrication outputs ^ Gerber files» на вкладке «Layers» был выбран слой разработанной ПП «Top Solder». После этого осуществляется сборка ПП на автоматизированном оборудовании (рис. 3).

Для завершения сборки необходимо оплавление паяльной пасты в конвекционной печи, промывка в ультразвуковой ванне и визуальный контроль качества пайки на стереоувеличителе. Эти операции являются типовыми и не привязаны к конкретному оборудованию.

Заключение

В результате проделанной работы был сформулирован подробный алгоритм формирования сборки печатной платы, предназначенный для обучения навыкам печатного монтажа и позволяющий полностью осознать данный технологический процесс. Подобная схема построения технологического процесса в единой информационной среде на примере создания печатной платы в лаборатории поверхностного монтажа является наглядным примером работы в единой информационной среде. Тщательный подбор примеров позволяет ускорить и упростить ввод исходных данных, что очень важно для процесса обучения. Технология микропроцессорных изделий очень быстро меняется, каждый месяц появляется новое оборудование, новые материалы и технологии. Все сведения о технологии, рассказанные студентам, могут измениться, когда студенты получат дипломы и приступят к работе. В связи с этим для решения технологических задач очень важно умение работать с автоматизированным оборудованием и использовать информационную среду.

Литер атура

1. Указания по подготовке данных из САПР в Gerber-формате: официальный сайт компании «Резонит» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://rezonit.ru/urgent/howto/, свободный. Яз. рус. (дата обращения - 30.11.2011).

2. Сабунин А.Е. Altium Designer. Новые решения в проектировании электронных устройств. - М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2009. - 432 с.

3. Суходольский В.Ю. Сквозное проектирование функциональных узлов РЭС на печатных платах в САПР Altium Designer 6. Ч. 1, 2: Учебное пособие. - СПб: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2008. - 148 с.

4. Инструкция к станку. Установщик компонентов MECHATRONIKA. - M50/60. - СПб: ЗАО НПФ «Диполь», 2006.

Воробьев Анатолий Сергеевич - Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет

информационных технологий, механики и оптики, студент, anato-liy.vorobyev@gmail.com Федосов Юрий Валерьевич - ЗАО «МНС», аспирант, yf01@yandex.ru

УДК 621.38, 372.862, 377.5

КОМПЛЕКТЫ ВИЗУАЛЬНЫХ И РАСЧЕТНЫХ ЛАБОРАТОРНЫХ МОДЕЛЕЙ ПО ОСНОВАМ ЦИФРОВОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ

В.В. Новиков, В.В. Генович, Д.М. Гриншпун

Рассмотрены вопросы разработки комплектов компьютерных моделей электронных устройств, входящих в состав виртуального лабораторного комплекса по основам электронной обработки информации. Вводятся понятия визуальных и расчетных моделей в рамках комплекса, комплектов визуальных и расчетных моделей, рассматриваются этапы их разработки и вопросы составления математических описаний моделей - определения применяемых способов аппроксимации и методов составления математических описаний. Анализируются требования к визуальным и расчетным моделям с технической и педагогической сторон, приводится результат разработки комплектов. Ключевые слова: виртуальный лабораторный комплекс, основы электронной обработки информации, визуальные модели, расчетные модели.

Введение

Представленный в настоящей работе виртуальный лабораторный комплекс предназначен для математического моделирования и визуального представления физических процессов в электронных узлах формирования цифровых сигналов и их логических преобразований.

Разработка комплекса (далее - Комплекса) ведется с 2008 г. Первые результаты, продемонстрированные на «V Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых» в 2008 г. и на конференции «Научный потенциал-ХХ1 век» в 2009 г. [1, 2], содержали разработки по тематическим разделам «Формирование цифровых сигналов»; «Принципиальная реализация логических элементов»; «Синтез комбинационных схем» и состояли из нескольких разработанных лабораторных работ, включавших лабора-

торные установки (компьютерные модели имитируемых устройств) и методические указания по их выполнению. При этом компьютерные модели имитируемых устройств делились на два типа: имитационные и функциональные.

Педагогический эксперимент привел к выводу о целесообразности тематического расширения и разработки единой концепции виртуальных лабораторных комплексов по основам цифровой электронной обработки информации (далее - Концепция). Она была представлена на конференциях «Телематика'2010» и «Современные достижения в науке и образовании» в 2010 г. [3, 4]. В соответствии с Концепцией Комплекс дополнен еще двумя типами моделей: расчетными и визуальными. Под расчетной понимается модель исследуемого объекта, предназначенная для контроля знаний учащихся и проведения лабораторных работ; под визуальной - модель исследуемого объекта, наглядно демонстрирующая принцип его функционирования на уровне физических процессов; под комплектом расчетных моделей (КРМ) и комплектом визуальных моделей (КВМ) - набор расчетных и визуальных моделей по тематическим разделам:

- формирование цифровых сигналов (ФЦС);

- логические элементы (на биполярных транзисторах) (ЛЭ 1);

- логические элементы (на полевых структурах) (ЛЭ 2);

- трехстабильные логические элементы (ТСЭ);

- комбинационная/некомбинационная логика (КЛ/НКЛ);

- магистральные структуры (МС);

- программируемые структуры (ПС).

Результаты первых этапов разработки представлены на конференции «Телематика'2010» [5].

Обоснование разработки

Разработка осуществляется на основе выработанных экспертным методом требований, подробно изложенных в Концепции [3]. Так, визуальные модели (ВМ) должны:

- отображать схемы изучаемых электронных узлов;

- функционировать на основе их математического описания;

- обеспечивать интерактивный режим использования - реакцию на задаваемые пользователем посредством имитаторов приборных органов управления воздействий (установку параметров электронных узлов и входных сигналов) и динамическое отображение результатов моделирующего расчета при помощи элементов индикации, имитирующих физические измерительные приборы;

- наглядно отображать физические процессы, протекающие в электронных устройствах.

Расчетные модели (РМ) также должны отображать схемы изучаемых электронных узлов, функционировать на основе их математического описания и обеспечивать интерактивный режим использования, но в отличие от ВМ, интерактивность достигается вводом и выводом непосредственно числовых значений вместо имитации приборного управления и индикации. Кроме того, должен производиться вывод дополнительных параметров, избыточных с точки зрения получения конечных значений, но необходимых для обоснования математических описаний и путей решения - напряжения и силы токов в каждом узле и цепи устройства.

Кроме того, должна быть учтена специфика целевой аудитории - студенты и учащиеся образовательных уровней среднего профессионального образования (ОУ СПО), начального профессионального образования (НПО), школьники старших классов информационно-технологического профиля. Это определяет предпочтительно линейный (кусочно-линейный) метод аппроксимации нелинейных характеристик полупроводниковых приборов.

Сопоставительный анализ аналогичных решений комплексов лабораторных и демонстрационных работ [6-14] показал, что все представленные программные продукты обладают возможностью интерактивности и индикации измерительных показаний. Однако визуализацию на уровне физических процессов реализуют только отдельные модели пакета «Открытая физика», в которых отсутствуют модели полупроводниковых элементов, и ни один аналог не поддерживает линейную аппроксимацию характеристик полупроводниковых элементов, основываясь на математическом описании системой дифференциальных уравнений, что исключает эффективное применение целевой аудиторией указанного образовательного уровня.

Все вышеизложенное привело к двухэтапной разработке оригинального комплекса:

- математические описания работы электронных устройств;

- создание расчетных и визуальных моделей устройств на основе их математических описаний.

Разработка математического описания

Согласно Концепции, математическое описание всех типов моделей в рамках одного тематического раздела и одного образовательного уровня должны быть одинаковы, что позволяет разрабатывать единые математические модели (ММ). Образовательный уровень целевой аудитории определил следующий способ аппроксимации характеристик полупроводниковых приборов:

1. Вольтамперная характеристика р-п-перехода аппроксимирована ступенчатой функцией: падение напряжения при прямом включении составляет 0,6 В; обратный ток равен нулю.

2. В линейном режиме работы биполярного транзистора коэффициент передачи по току р = — (/к, /б -

/б

ток коллектора и базы) принимается равным константе.

3. В режиме насыщения биполярного транзистора минимальная разность потенциалов между коллектором и эмиттером Пкэ равна 0,4 В.

Приведенные численные значения соответствуют характеристикам маломощных высокочастотных кремниевых полупроводниковых диодов и транзисторов. Составление ММ состоит из следующих этапов:

- определение областей режимов работы имитируемого электронного узла (сочетаний состояний входящих в него полупроводниковых приборов);

- исключение из полученного множества режимов невозможных при задаваемых значениях параметров цепи;

- определение условий работы каждого рабочего режима;

- разработка ММ для рабочих режимов.

Разработка ВМ

Приняты следующие способы визуализации: движение потока «положительно заряженных частиц», направление движения которых совпадает с направлением тока, или потока электронов, направление движения которых обратно направлению тока.

Для разработки графического интерфейса применен программный пакет Adobe Flash, для моделирования и программной визуализации - встроенный язык программирования ActionScript 3.0. Схема функционирования визуальных моделей включает в себя три этапа.

1. Ввод данных с помощью приборных органов управления: параметров имитируемого электронного узла и входных сигналов.

2. Расчет, состоящий из трех шагов:

- расчет всех рабочих режимов модели;

- проверка на непротиворечивость условиям работы режимов;

- вывод результатов расчета непротиворечивого режима.

3. Визуализация - определение путей движения заряженных частиц в электронной схеме и плотности их потока; вывод на монитор.

Разработка РМ

В качестве программной среды используется продукт, не требующий специальных знаний и навыков программирования, но обеспечивающий реализацию математического описания модели на уровне расчета - MS Excel. Схема функционирования РМ, как и ВМ, состоит из тех же этапов, за исключением режима ввода и вывода данных, которых на порядки больше, и поэтому используются упрощенные поля форм.

Каждая модель представляет собой стандартную книгу MS Excel, состоящую из титульного листа и листов ММ режимов. Ячейки листов разделяются на два типа: ячейки с данными и параметрами и ячейки с формулами. Задачи титульного листа:

- обеспечение ввода параметров и входных сигналов модели;

- передача параметров и входных сигналов на листы ММ;

- вывод результатов проверок каждого рабочего режима.

Задачей листов ММ является расчет промежуточных и выходных значений. В соответствии с этим титульный лист включает в себя следующие таблицы:

- параметров схемы;

- входных сигналов;

- вектора проверок режимов.

Листы ММ моделей режимов включают в себя таблицы:

- параметров схемы;

- входных сигналов;

- промежуточных значений;

- входных и выходных значений;

- результатов проверок режимов.

Вектор проверок режимов формируется на основе результатов проверок режима по каждому листу

ММ.

Пример разработки

В качестве примеров представлены интерфейсные окна визуальной (рис. 1) и расчетной (рис. 2) моделей двухкаскадного узла формирования двухтактных сигналов в схемотехнике транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). Назначение этих моделей - демонстрация принципа работы.

Входные данные: сопротивления Я1, Я2, Я3, Я4 и напряжение ивх, напряжение электропитания Е. Выходные данные: напряжения иу1 и иу2.

Adobt flash Player 10^

Фвйл Просмотр Управление Справка

E

@ 5В

UBX

0,5В

'кч-в-ЫвД

I

170000

R2:

3500 Оы

щ

U62

Режим

НЗ: J 500 0м

Uy

yi

VT1

<

VT2

--Uy2

X

R4: ,l 5 00 Ом

Рис. 1. Иллюстрация окна ВМ «Двухкаскадный узел формирования двухтактных сигналов

в схемотехнике ТТЛ»

В соответствии с тематическим разделом (формирование цифровых сигналов) наибольший интерес представляют переключательные свойства моделируемого электронного устройства, непосредственно зависящие от переходных режимов полупроводниковых элементов. В связи с этим важно оценить адекватность функционирования разработанных моделей в переходных режимах.

В качестве метода оценки было применено сопоставление представленной выше модели двухкас-кадного узла формирования двухтактных сигналов в схемотехнике ТТЛ (модель А) с аналогичной, построенной в среде наиболее близкого аналога МиШБт 11 (моделью Б). В первом случае использовалась модель транзистора КТ315, во втором случае - зарубежный аналог 2М2712.

На рис. 3 представлена временная диаграмма входного сигнала, на рис. 4 - укрупненные временные диаграммы выходных сигналов.

А в С

1 ГТарг Петры схемы

2 Е 100.0 в

3 6 и

4 я, 200 000 Ом

S Я, 3 $00 Ом

6 500 Ом

7 «. 500 Ом

В

5 п ромежуточиые значения

10 it 0.0002 А 0,197 мд

И i) 0.0121 А 12.069 мД

12 0,1119 А 111,94 мА

13 Ч 0.1142 А 114.178 иА

14 U 0.0099 А 9.S5 МА

15 0.0022 А 2.239 мА

16 ¡и 0.01 А 10.047 мА

17 и„ 60.6 В

IS и„ S7.6W2 0

19 11,, 57.6332 В

21 Входи ые и выходцы значений

22 X 60,0 В

23 У' 44,03 В

24 У. 57.069 В

26 Проверка листа:

27 Б.П. 1

26 VT„ 0

29 кг. 1

SO VT„ 0

31 1

32 п. л. 0

E

R1

I I I

R2

VT1

I

R3

У1

VT2

У2

R4

I

Рис. 2. Фрагмент окна РМ «Двухкаскадный узел формирования двухтактных сигналов

в схемотехнике ТТЛ»

x

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Время, I

Рис. 3. Временная диаграмма входного сигнала

120

100

МиКгат 11; -

Время, t

а

140 160

Линейная аппроксимация

* 11,5

90 100

— МиКгат 11; -

110 120 130

- Линейная аппроксимация

Время, t б

Рис. 4. Временная диаграмма переходных режимов: сигнал Цу2

Сопоставление временных диаграмм показывает практически полное соответствие результатов модели А и модели Б на линейных участках. В то же время на одном из переходных участков виден разрыв, вызванный неопределенностью режима модели А, что говорит о том, что вектор режима в зоне разрыва не определен, т. е. ни одно из условий существующих рабочих режимов этой модели не выполняется. Вызван этот эффект применением упрощенного способа аппроксимации нелинейной характеристики транзисторов, о чем говорилось выше. В то же время переход на более совершенные способы (описание с помощью системы дифференциальных уравнений) не будет соответствовать образовательному уровню ОУ СПО ввиду сложности такой ММ. В связи с этим принято следующее решение: методика выполнения соответствующей лабораторной работы основывается на представленной модели, а полученный эффект представляется студентам в демонстрационном режиме.

60

80

12,5

12

11

10.5

10

80

Заключение

В настоящее время разработаны следующие визуальные и расчетные модели:

1. Транзисторный каскад с общим эмиттером, соответствующий разделу ФЦС;

2. Двухкаскадный узел формирования двухтактных сигналов в схемотехнике ТТЛ, соответствующий разделу ФЦС;

3. Транзисторный каскад с общей базой, соответствующий разделу ФЦС;

4. Логический элемент «НЕ» (ТТЛ), соответствующий разделу ЛЭ 1;

5. Трехстабильный элемент «НЕ» (ТТЛ), соответствующий разделу ТСЭ.

В ближайшее время планируется проведение полноценного опробования визуальных и расчетных моделей в учебном процессе факультета среднего профессионального образования Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики в рамках дисциплины «Компьютерное моделирование аппаратной обработки данных» с введением в соответствующую рабочую учебную программу. Предполагается дальнейшее расширение комплектов моделей.

Литература

1. Новиков В.В. Виртуальный лабораторный комплекс по основам полупроводниковой цифровой электроники // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. - 2008. - Вып. 52. - С. 129-133.

2. Новиков В.В. Виртуальный лабораторный комплекс по основам полупроводниковой цифровой электроники // Сборник тезисов «Научный потенциал-XXI». - М., 2009. - С. 117.

3. Гриншпун Д.М. Виртуальные лабораторные комплексы по основам цифровой электроники // Труды XVII Всероссийской научно-методической конференции «Телематика'2010». - СПб, 2010. - Т. 2. -С. 340-342.

4. Гриншпун Д.М. Виртуальные лабораторные комплексы по основам цифровой электронной обработки информации как средство повышения качества IT-образования // Сборник трудов IV Международной научной конференции «Современные достижения в науке и образовании». - Будва, 2010. - С. 12.

5. Новиков В.В., Гриншпун Д.М. Интерактивный визуально-демонстрационный виртуальный лабораторный комплекс по основам цифровой электроники // Труды XVII Всероссийской научно-методической конференции «Телематика'2010». - СПб, 2010. - Т. 2. - С. 342.

6. Гамбург К.С. Виртуальные стендовые лабораторные работы как инновационная форма контекстного обучения. Дис. ... канд. пед. наук. - М., 2006. - 186 с.

7. Лапшина И.В. Виртуальная информационно-образовательная лаборатория в профессиональной подготовке студентов. Дис. ... канд. пед. наук. - Ставрополь, 2002. - 188 с.

8. Медведева О.А. Развитие познавательной деятельности старшеклассников посредством виртуальной информационно-образовательной лаборатории. Дис. ... канд. пед. наук. - Карачаевск, 2006. - 186 с.

9. Ревинская О.Г. Методика проектирования и проведения компьютерных лабораторных работ для изучения теоретических моделей явлений и процессов в курсе физики технического вуза. Дис. . канд. пед. наук. - Томск, 2006. - 229 с.

10. Саватеев Д. А. Компьютерное моделирование в изучении физических основ электромагнитных явлений в курсах общей физики и специальных дисциплин технического вуза. Дис. ... канд. пед. наук. -СПб, 2007. - 158 с.

11. Официальный сайт программной среды виртуального моделирования Edison 5 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.edisonlab.com, свободный, Яз. англ. (дата обращения 08.11.2011).

12. Официальный сайт программной среды виртуального моделирования Yenka Technology [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.yenka.com/en/Yenka_Technology/, свободный, Яз. англ. (дата обращения 08.11.2011).

13. Официальный сайт программной среды виртуального моделирования Electronic Workbench Multisim [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.ni.com/multisim/, свободный, Яз. англ. (дата обращения 08.11.2011).

14. Официальный сайт разработчиков пакета «Открытая физика» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.physicon.ru, свободный. Яз. рус. (дата обращения 08.11.2011).

Новиков Василий Викторович - Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет

информационных технологий, механики и оптики, студент, novikov.vz@gmail.com

Генович Владимир Витальевич - Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет

информационных технологий, механики и оптики, студент, genovich.v.v@gmail.com

Гриншпун Дмитрий Михайлович - Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет

информационных технологий, механики и оптики, декан, dm.grinshpun@gmail.com