«Виртуальный» лабораторный Комплекс по основам полупроводниковой цифровой электроники

«ВИРТУАЛЬНЫЙ» ЛАБОРАТОРНЫЙ КОМПЛЕКС ПО ОСНОВАМ ПОЛУПРОВОДИКОВОЙ ЦИФРОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

В.В. Новиков (Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, факультет среднего профессионального образования) Научный руководитель - Д.М. Гриншпун

Представленный в работе «виртуальный» комплекс (Комплекс) предназначен для лабораторного сопровождения дисциплин «Информатика» и «Электрика и электроника», изучаемых при подготовке специалистов СПО по специальности «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем». На основе аппроксимированных характеристик нелинейных полупроводниковых приборов Комплекс моделирует функционирование электронных устройств от генераторов цифровых сигналов до логических элементов.

Введение

Назначением комплекса является создание педагогических условий для углубления понимания студентами основополагающих принципов работы электронных устройств за счет практического исследования их функционирования. Одновременно студенты могут получить представление об имитационном моделировании.

Очевидно, что теоретические знания, получаемые студентами при изучении дисциплин «Информатика», «Электротехника и электроника», может быть существенно углублены при выполнении лабораторных работ, позволяющих на практике освоить фундаментальные принципы цифровой электроники. Однако применение лабораторных установок, во-первых, не предусмотрено учебными планами дисциплин, во-вторых, трудоемко и дорогостояще, и, в-третьих, не соответствует указанной специальности, предусматривающей преимущественную работу с программными, а не аппаратными средствами ВТ. Следовательно, актуальной представляется разработка программного «виртуального» лабораторного комплекса, позволяющего выполнить необходимые работы за счет имитации функционирования реальных установок.

Таким образом, целью разработки является повышение мотивации студентов, обучающихся по указанной и родственным специальностям СПО или ВПО, к изучению основ построения компьютеров как устройств электронной цифровой обработки информации.

Для достижения цели техническим заданием предусмотрено решение следующих задач:

- Комплекс должен состоять из последовательности лабораторных работ, содержание которых должно соответствовать логике изучения теоретического материала дисциплин «Информатика» и «Электрика и электроника»;

- Комплекс должен быть создан в программной имитационной среде и опираться на самостоятельное изучение студентами соответствующего программного обеспечения;

- в качестве метода имитации следует применить имитационное моделирование;

- каждая лабораторная работа должна предусматривать теоретическую, в том числе математическую, подготовку к ее выполнению;

- каждая последующая лабораторная работа должна опираться на знания и умения, полученные в результате выполнения предыдущей;

- должен быть разработан комплект методических указаний по выполнению работ, в котором указаны цели и задачи, описан порядок выполнения, приведены требования по содержанию и оформлению отчета.

Разработка и структура лабораторного комплекса

В соответствии с техническим заданием Комплекс обеспечивает имитацию работы электрических схем исследуемых узлов, рекомендованных для изучения программами дисциплин и соответствующей учебной литературой. Имитация выполнена программными средствами специализированного пакета LabView на основе математических моделей, вывод которых включен в теоретический материал указанных дисциплин. Выбор пакета Lab View обусловлен требованием применения унифицированной программной среды с другими «виртуальными» лабораторными комплексами, разрабатываемыми для единого учебно-методического комплекса (УМК): универсальность LabView обеспечивается развитой библиотекой типовых элементов, встроенностью языка программирования, наличием разнообразных средств индикации, визуализации и управления и т. п.

Комплекс состоит из последовательности связанных между собой лабораторных работ, выполняемых на соответствующих установках, причем каждая последующая лабораторная работа предусматривает использование знаний, полученных в результате выполнения предыдущей.

Лабораторные установки содержат лицевую и монтажную панель. Лицевая панель предназначена для непосредственной работы студентов. На ней размещено изображение изучаемого электронного узла с обозначенными параметрами, элементы управления и индикации. На монтажной панели, скрытой во время выполнения работ, размещены программные имитационные модули, «собранные» в подлежащие исследованию узлы. Исследования осуществляются в соответствии с разработанными методическими материалами, содержащими ссылки на теоретический материал и необходимые указания по их выполнению, формам представления и анализу результатов, составлению отчетов.

Комплекс обеспечивает изучение двух тем: «Формирование цифровых сигналов» (лабораторные работы №1 и №2), «Реализация логических функций» (лабораторные работы №3, №4, №5).

Формирование цифровых сигналов

Лабораторная работа №1 выполняется в два этапа.

1. Формирование цифровых сигналов.

2. Исследование зависимости характеристик цифрового сигнала от параметров

электронной цепи.

Оба этапа выполняются на установке №1, содержащей простейший транзисторный каскад (рис. 1). В лабораторной работе №2 изучается транзисторный каскад с элементом отрицательной обратной связи (установка №2), изображенный на рис. 2.

I

Рис. 1. Схема транзисторного каскада на лицевой панели установки №1

Е

г;

у

—I Рк

1) выгодно е

зх 1Д ное

11° Л V

ь

К ь \

500

Рис. 2. Схема транзисторного каскада с элементом отрицательной обратной связи

на лицевой панели установки №2

Теоретическая база темы - физическое представление логических значений «0» и «1» в ТТЛ; законы Ома и Кирхгофа; характеристики и режимы работы линейных радиоэлементов и нелинейных полупроводниковых приборов; понятие временной диаграммы электрических сигналов; математическая модель транзисторного каскада, разработанная на основе ступенчатой аппроксимации вольтамперной характеристики диодов. Реализация логических функций

В лабораторных работах №3, №4 и №5 представлены к изучению транзисторные каскады, реализующие логические функции «НЕ» (установка №1, рис. 1), «ИЛИ-НЕ» (установка №3, рис. 3), «И-НЕ» (установка №4). Теоретическая база исследования - логические функции инверсии, дизъюнкции и конъюнкции.

Рис. 3. Схема транзисторного каскада на лицевой панели установки №3

Математический аппарат исследования

Для каждой лабораторной работы создана математическая модель, основанная на аппроксимации параметрических характеристик полупроводниковых приборов, и разработаны в программной среде LabVIEW соответствующие имитационные программы. Имитационная программа лабораторных работ №1 и №3:

1. float k;

2. float C;

3. k=(b*Rk)/Rb;

4. C=E+k*0.6;

5. uOut=C-k*uInput;

6. if(uInput<0.6) uOut=E;

7. if(u0ut<0.4) u0ut=0.4;

Имитационная программа лабораторной работы №2:

1. float k;

2. float C;

3. float uE;

4. uE=uInput-0.6;

5. k=(b/(b+1))*(Rk/Re);

6. C=E+k*0.6;

7. u0ut=C-k*uInput;

8. if(uInput<0.6) u0ut=E;

9. if(u0ut-uE<=0.4) u0ut=uE+0.4; Где K и C - коэффициенты

Имитационная программа лабораторной работы №4:

1. if (mode==1) 4. end

2. U2=5 5. if

3. U1=Uc 6. U1=5

7. U2=Uc

8. end

9. if

10. U1=Uc

11. U2=Uc

12. end

13. Ib=(Uinput-(Uc+6/10))/Rb;

14. if

15. Ib=0

16. end

17. Ik=Ib*b;

18. Uout=((Uc-Uinput-6/10)/(Rb2*(E-

19. if

20. Uout=Uc+4/10

21. end

22. k=(b2*Rk2)/Rb2;

23. C=E2+k*6/10;

24. Uout2=C-k*Uout;

25. if

26. Uout2=E2

27. end

28. if

29. Uout2=4/10

30. End

1)-Rk*(1-6/10)))*Rk*Rb2/Rb; Имитационная программа лабораторной работы №5:

1. Ib=((U1-6/10)/Rb1)+((U2-6/10)/Rb2);

2. if

3. Ib=0

4. end

5. Uout=E-Ib*b*Rk

6. if

7. Uout=4/10

8. end

В качестве эксперимента Комплекс был предложен для опробования двум учебным группам студентов факультета СПО. Результаты проведенных лабораторных работ позволяют сделать вывод о достижении поставленной цели. Эффективность его внедрения подтверждается многочисленными отзывами студентов. В то же время выявлена целесообразность развития Комплекса в двух направлениях расширения - «Интегральные схемы» и «Шинные формирователи и приемопередатчики цифровых сигналов».

1. Петров К.С. Технология. Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника: учебное пособие. - 2004. -522 с.

2. Безуглов Д.А., Каленко И.В. Цифровые устройства и микропроцессы. - Феникс, 2006. - 480 с.

3. Лагин В.И., Савелов Н.С. Электроника. - Феникс, 2004. - 576 с.

4. Суранов А.Я. LabView 7: справочник по функциям. - ДМК Пресс, 2005. - 512 с.

5. Тревис Дж. LabView для всех. - ДМК Пресс; ПриборКомплект, 2005. - 533 с.

6. Бутырина П.А. Автоматизация физических исследований и эксперимента: компьютерные измерения и виртуальные приборы на основе LabView 7. - ДМК Пресс, 2005. - 264 с.

Заключение

Литература