УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЧЕБНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ЦИФРОВЫХ СХЕМ

Заявляемая полезная модель относится к техническим средствам обучения цифровой электронике и схемотехнике и может быть использовано при индивидуальном и групповом обучении основам моделирования, конструирования, сборки и проверки схем цифровых логических элементов и устройств комбинационного и последовательного типов.
Известно устройство для учебного моделирования цифровой электроники, содержащее набор функциональных модулей в виде источника постоянного тока, генератора сигналов логических «1» и «О», индикации выходных сигналов (патент US №5868575, МПК G09В 19/00).
В этом устройстве имеется возможность моделирования цифровых устройств, однако для этого требуется большое количество функциональных модулей, построенных на цифровых микросхемах, что увеличивает энергоемкость устройства и не позволяет обеспечить автономную работу устройства от маломощных источников постоянного тока в виде аккумуляторов и батареек.
Известно устройство для учебного моделирования цифровых схем содержащее набор функциональных модулей в виде источника постоянного тока, генератора сигналов логических «1» и «0», световой индикации выходных сигналов, каждый функциональный модуль размещен в прямоугольном корпусе из диэлектрического материала, на лицевой поверхности которого расположены коммутационные контакты, элементы электрической цепи и их условные графические обозначения, на боковой поверхности установлены элементы электрического соединения (патент RU №2381564 МПК G09В 23/18)
Данное устройство для учебного моделирования цифровых схем, являющееся наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому устройству, характеризуется ограниченными функциональными возможностями, поскольку обеспечивает моделирование и изучение работы только отдельных цифровых схем логических элементов, построенных на основе дискретных элементов цепи: резисторах, диодах и транзисторах. В этом устройстве не предусмотрена реализация всех функциональных возможностей установленной цифровой микросхемы, что в целом ограничивает возможности моделирования цифровых схем и проведения лабораторного практикума по цифровой схемотехнике.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в расширении функциональных возможностей устройства за счет обеспечения моделирования и исследования работы различных цифровых логических схем, собираемых в линейную функционально завершенную последовательность модулей.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для учебного моделирования цифровых схем, содержащем набор функциональных модулей в виде источника постоянного тока, генератора сигналов логических «1» и «0», световой индикации выходных сигналов, каждый функциональный модуль размещен в прямоугольном корпусе из диэлектрического материала, на лицевой поверхности которого расположены коммутационные контакты, элементы электрической цепи и их условные графические обозначения, на боковой поверхности установлены элементы электрического соединения, устройство дополнительно снабжено модулем наборного поля для четырех логических элементов «2И-НЕ», модулем наборного поля для элементов цифровых микросхем, все функциональные модули выполнены с возможностью сборки их в линейную функционально завершенную последовательность и с возможностью параллельного соединения дополнительной функционально завершенной последовательности модулей, модуль источника постоянного тока выполнен совмещенным с выключателем и предохранителем от перегрузки, модуль генератора сигналов логических «1» и «0» выполнен двухразрядным и снабжен панельками, установленными на лицевой стороне корпуса для коммутации элементов схемы с помощью соединительных проводов, на лицевой поверхности корпуса модуля наборного поля для элементов цифровых микросхем смонтированы несущие панельки на 14 контактов для установки сменных цифровых микросхем и панельки для коммутации, модуль световой индикации выходных сигналов выполнен двухразрядным и снабжен панельками для коммутации, элементы электрического и механического соединения между функциональными модулями выполнены в виде штырьковых разъемов.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемое устройство для учебного моделирования цифровых схем, отличается тем, что устройство дополнительно снабжено модулем наборного поля для четырех логических элементов «2И-НЕ», модулем наборного поля для элементов цифровых микросхем, все функциональные модули выполнены с возможностью сборки их в линейную функционально завершенную последовательность и с возможностью параллельного соединения дополнительной функционально завершенной последовательности модулей, модуль источника постоянного тока выполнен совмещенным с выключателем и предохранителем от перегрузки, модуль генератора сигналов логических «1» и «0» выполнен двухразрядным и снабжен панельками, установленными на лицевой стороне корпуса для коммутации элементов схемы с помощью соединительных проводов, на лицевой поверхности корпуса модуля наборного поля для элементов цифровых микросхем смонтированы несущие панельки на 14 контактов для установки сменных цифровых микросхем и панельки для, модуль световой индикации выходных сигналов выполнен двухразрядным и снабжен панельками для коммутации с помощью соединительных проводов, элементы электрического и механического соединения между функциональными модулями выполнены в виде штырьковых разъемов. Такое отличие от прототипа дает основание утверждать о соответствии заявляемого устройства условию патентоспособности полезной модели «новизна».
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 представлено устройство для учебного моделирования цифровых микросхем, структурная схема; на фиг.2 - принципиальная электрическая схема двухразрядного модуля генератора сигналов логических «1» и «0»; на фиг.3-лицевая поверхность модуля наборного поля для четырех логических элементов «2И-НЕ»; на фиг.4 - схема соединений в модуле наборного поля для четырех логических элементов «2И-НЕ»; на фиг.5 - лицевая поверхность модуля наборного поля для элементов цифровых микросхем; на фиг.6 - схема соединений в модуле наборного поля для элементов цифровых микросхем; на фиг.7 - принципиальная электрическая схема двухразрядного модуля световых индикаторов выходных сигналов.
Устройство для учебного моделирования цифровых схем содержит набор функциональных модулей в виде модуля 1 источника постоянного тока, модуля 2 генератора сигналов логических «1» и «0», модуля 3 наборного поля для четырех логических элементов «2И-НЕ», модуля 4 наборного поля для элементов цифровых микросхем, модуля 5 световых индикаторов выходных сигналов. Каждый функциональный модуль размещен в прямоугольном корпусе (не показан) из диэлектрического материала. Все функциональные модули выполнены с возможностью сборки их в линейную функционально завершенную последовательность, которая содержит модуль 1 источника постоянного тока, модуль 2 генератора сигналов логических «1» и «0», модуль 3 наборного поля для четырех логических элементов «2И-НЕ», модуль 4 наборного поля для элементов цифровых микросхем, модуль 5 световых индикаторов выходных сигналов. При необходимости возможно использование только одного из модулей 3 или 4, или параллельное соединение дополнительной функционально завершенной последовательности, которая содержит дублирующий состав функциональных модулей 2а,3а,4а,5а. Все функциональные модули выполнены с возможностью электрического и механического соединения с модулем 1 источника постоянного тока посредством штырьковых разъемов 6, закрепленных на боковой поверхности прямоугольных корпусов модулей. Модуль 1 (фиг.1) источника постоянного тока выполнен в виде совмещенных в одном корпусе трех гальванических аккумуляторов 1.1, предохранителя 1.2 от перегрузки и выключателя 1.3. Модуль 2 (фиг.1, 2) генератора сигналов логических «1» и «0» выполнен двухразрядным и снабжен выключателями 2.1, светодиодами 2.2, резисторами 2.3 и панельками 2.4, установленными на лицевой стороне корпуса для коммутации элементов схемы с помощью соединительных проводов. Модуль 3 (фиг.1, 3, 4) наборного поля для четырех логических элементов «2И-НЕ» содержит несущую панельку 3.1 на 14 контактов для установки микросхемы и четыре коммутационные панельки 3.2 для коммутации элементов схемы каждого из четырех логических элементов «2И-НЕ», соединенных дорожками 3.3 на печатной плате или соединительными проводами. Модуль 4 (фиг.1, 5, 6) наборного поля для элементов цифровых микросхем содержит несущую панельку 4.1 на 14 контактов для установки сменных цифровых микросхем и две панельки 4.2 на 14 контактов для коммутации, соединенных дорожками 4.3 на печатной плате или соединительными проводами. Модуль 5 (фиг.1, 7) индикации выходных сигналов на светодиодах 5.1 с балластными резисторами 5.2 выполнен двухразрядным и снабжен панельками 5.3 для коммутации с элементами схемы с помощью соединительных проводов.
Предложенное устройство для учебного моделирования цифровых схем работает следующим образом.
По своим функциональным возможностям устройство для учебного моделирования цифровых схем позволяет выполнять конструирование, сборку и исследование различных вариантов цифровых устройств малой разрядности. В частности такое устройство позволяет трансформировать конструкцию до оптимального варианта по электропитанию и проводить следующие виды моделирования: сборку и исследование логических устройств «И-НЕ», «НЕ», «И», «ИЛИ», «ИЛИ-НЕ», «сложение по модулю два», «отрицание сложения по модулю два», «импликация», «коимпликация» и др.; сборку и исследование 2-4-х разрядных схем комбинационного типа - «одноразрядных двоичных полусумматоров», «одноразрядных двоичных полных сумматоров», «одноразрядных вычитателей», «мультиплексора», «демультиплексора», «шифраторов», «дешифраторов», «преобразователей кодов», «компаратора», «устройства защиты информации» и др.; сборку и исследование 2-4-х разрядных схем последовательного типа - статических «RS-триггеров», «RCS-триггера», «D-триггера», «JK-триггеров».
Так, например, выполнение учебного задания «Разработать и исследовать логический элемент «2ИЛИ» на основе логических элементов «2И-НЕ» обучаемые осуществляют следующим образом. На первом этапе на основе булева уравнения «2ИЛИ» обучаемые преобразуют его в базис элементов «2И-НЕ» и разрабатывают принципиальную электрическую схему. На основе принципиальной электрической схемы обучаемые делают вывод о том, что для сборки заданного устройства достаточно трех логических элементов «2И-НЕ» из функционального модуля 3 наборного поля для четырех логических элементов «2И-НЕ». Обучаемые осуществляют сборку функциональных модулей 1, 2, 3 и 5 в линейную функционально завершенную последовательность, при этом сборку осуществляют стыковкой модулей с помощью штырьковых разъемов. В корпус модуля 1 источника постоянного тока устанавливают аккумуляторы 1.1 и предохранитель 1.2. В несущую панельку 3.1 модуля 3 наборного поля устанавливают микросхему К155ЛА3. На основе принципиальной электрической схемы осуществляют сборку схемы устройства на коммутационных панельках 3.2 модуля 3 с помощью соединительных проводов. Входы собранной схемы устройства подключают к контактам панелек для коммутации 2.4 функционального модуля 2 генератора сигналов логических «1» и «0», выход к одному из контактов панельки для коммутации 5.3 модуля 5. Для подачи электропитания на модули 2, 3 и 5 на модуле 1 источника постоянного тока включают выключатель 1.3. Выполняют исследование устройства на функциональное соответствие: последовательно устанавливают в модуле 2 комбинации входных сигналов и по индикации светодиода 5.1 в модуле 5 регистрируют соответствие уровня выходного сигнала «таблице истинности».
Выполнение, например, учебного задания «Разработать двухразрядный мультиплексор на базе элементов «2И-НЕ»» также начинается с разработки принципиальной электрической схемы. На основе полученной принципиальной электрической схемы, содержащей четыре элемента «2И-НЕ» обучаемые делают вывод, что для сборки модели учебного устройства потребуется модуль 1 источника постоянного тока, два модуля 2 и 2а генератора сигналов логических «1» и «0», один модуль 3 наборного поля для четырех логических элементов «2И-НЕ», один модуль 5 световых индикаторов. Сборку конструкции в линейную функционально завершенную последовательность осуществляют стыковкой модулей с помощью штырьковых разъемов. Для приведения модулей в рабочее состояние в модуль 1 устанавливают аккумуляторы 1.1. и предохранитель 1.3. Сборку схемы обучаемые осуществляют с помощью соединения соответствующих контактов панелек для коммутации в модулях 2, 2а, 3 и 5 соединительными проводами. Исследование функционирования мультиплексора осуществляется по «таблице истинности» посредством установки позиций тумблеров в модулях 2 и 2а и наблюдения индикации логического уровня выходного сигнала на светодиоде 5.1 в модуле 5. Манипуляцией управляющего входа проверяется функция мультиплексирования - временного уплотнения потоков, преобразование параллельного временного кода в последовательный временной код. Продолжением учебного исследования является практика использования серийных микросхем одноканальных мультиплексоров. Для этого стенд дополняют модулем 4 и в панельку после исследования справочной литературы устанавливают соответствующую микросхему. Учебное исследование мультиплексора на серийной микросхеме выполняют после подключения соответствующих контактов панелек для коммутации 4.2 модуля 4 к контактам панелек для коммутации модулей 2, 2а и 5 с помощью набора соединительных проводов.