Методичне забезпечення занять шкільного радіотехнічного гуртка

Розглянуті методичні прийоми і форми організації позакласної роботи, у своїй сукупності, сприяють активному залученню школярів до різних видів технічної творчості, створюють добрі передумови для надання їй суспільної значимості та виробничої скерованості.

Розділ 2. ОКРЕМІ АСПЕКТИ ОРГАНІЗАЦІЇ РОБОТИ ШКІЛЬНОГО РАДІОТЕХНІЧНОГО ГУРТКА

2.1             Місце розділу «Елементи цифрової техніки» в програмі радіотехнічного гуртка, та методичні рекомендації щодо його вивчення

З огляду на те, що цифрова обробка інформації практично вже стала основною складовою роботи пристроїв не лише електронної автоматики, але й усієї радіоелектронної апаратури, ця тема набуває особливого значення. Ознайомлення з основами роботи цифрових електронних пристроїв, з фізичною суттю процесів, що проходять при цьому, слід проводити в школі на уроках математики, фізики, інформатики, трудового навчання. Особливої уваги, в реалізації цього завдання, заслуговують шкільні технічні гуртки і, насамперед, гуртки радіоелектронного напрямку. Саме тут, на наш погляд, найбільш невимушено (нагадаємо, що гурток є добровільним об’єднанням учнів за інтересами) проходитиме засвоєння азів роботи цифрової техніки, набуття практичних умінь з конструювання цифрових електронних блоків.

Аналіз існуюючих програм технічних гуртків радіоелектронного напрямку показує, що усі вони, без винятку, передбачають вивчення вказаного розділу. Кількість годин – залежить, насамперед, від специфіки гуртка і становить 8-40% від загальної кількості. При цьому, співввідношення годин, відведених на теоретичні та практичні заняття становить 1 до 2. Це свідчить про відносну складність теми та неможливість її опанування без знання теоретичних основ функціонування цифрової техніки. Тому програми передбачають, насамперед, ознайомлення учнів з основами математичної логіки, двійковою системою числення, різновидами логічних операцій та їх технічною реалізацією, принципом роботи логічних елементів І, АБО, НЕ, їх електричними і часовими параметрами, навантажувальною здатністю тощо.

Рис. 1. Логічні елементи на комутаційних пристроях:

а, б – таблиця істинності елемента І; елемент І;

в, г – таблиця істинності елемента АБО; елемент АБО;

д, е – таблиця істинності елемента НЕ; елемент НЕ.

В процесі вивчення розділу, особливу увагу слід приділити логіці обробки інформації функціональними вузлами, практиці отримання синтезу електронних схем на основі законів алгебри логіки, набутті практичних умінь роботи з інтегральними схемами.

Наявність великого числа функціональних вузлів цифрової техніки, необхідність послідовного та глибокого вивчення принципу їх роботи вимагає від керівника гуртка не лише ретельного планування, а й визначення найбільш доцільних форм та метотів проведення гурткових занять.

Підвищити ефективність навчального процесу, надати йому більшої динамічності та колоритності можна за умови добре продуманої та організованої дослідно-експериментальної роботи гуртківців. Пояснення логічних операцій доцільно супроводжувати їх моделюванням на основі коммутаційних пристроїв (кнопок та вимикачів), ввімкнених у найпростіше электричне коло (рис.1).

Це необхідно, насамперед, для того, щоб учні краще зрозуміли зв'язок між математичним описом логічної послідовності і його електричним еквівалентом, засвоєли принцип побудови таблиці істинності.

В аналогічній послідовності слід будувати процес вивчення законів алгебри логіки. Тут доцільно подати спрощений алгоритм синтезу однотактних автоматів, вказати на потребу мінімізації їх структурної формули. Практичну частину заняття слід присвятити синтезу схем найпростіших автоматів та їх реалізації на комутаційних пристроях.

В ході вивчення елементів цифрової техніки, доцільно ознайомити гуртківців з історією виникнення цифрової електроніки, перспективах розвитку елементів цифрової електроніки, основних факторах, що стимулюють цей розвиток.

При вивченні кожної підгрупи цифрових ІС необхідно, після пояснення теоретичного матеріалу, проводити лабораторну роботу, спрямовану на закріплення отриманих знань та фронтальну практичну роботу з застосуванням ІС досліджуваних функціональних підгруп та видів.

При проведенні лабораторних та практичних робіт доцільно використовувати спеціальні модулі, призначені для імітації логічних рівнів вхідних сигналів та забезпечення візуального контролю за станом виходів цифрових ІС.

Модуль СЛР – статических логічних рівнів (рис.2), у початковому стані, має рівні логічного 0 на виходах XI, ХЗ, Х5, Х7 та рівні логічної 1 на виходах Х2, Х4, Х6, Х8. При замиканні контактів кнопок SВ1—SВ4 стани виходів змінюються на протилежні. При їх розмиканні - на виходах ХІ-Х8 відновлюються вихідні стани. У модулі використано малогабаритні кнопки типу КМТ-1.

Рис. 2

Рис. 3

Модуль ГОІ – генератор одиничного імпульсу (рис.3) – виробляє одиночний імпульс позитивної (вихід XI) або негативної (вихід Х2) полярності при одноразовому замиканні контактів кнопки SВ1. Про проходження імпульсу з виходу генератора сигналізує спалах світлодіода НL1. У модулі використано малогабаритну кнопку типу КМ-1 та світлодіод видимого спектру випромінювання.

Рис. 4

Модуль ГІ – генератор імпульсів (рис.4) – при замиканні контактів кнопки SB1 генерує електричні сигнали прямокутної форми. Частоту сигналу можна змінювати, у певних межах, резистором R1. Діапазон регулювання частоти можна також змінити, підключивши до клем ХТ1, ХТ2 додатковий конденсатор. При номіналах елементів, зазначених на схемі, частоту генератора можна змінювати в діапазоні 0,1 - 1Мгц. Індикація світлодіода НL1 свідчить про наявність імпульсів на виході генератора. У модулі використано малогабаритну кнопку типу КМТ-1 та світлодіод видимого спектру випромінювання.

Модуль І – індикації (рис.5) – призначений для забезпечення візуального контролю за станом входів та виходів цифрових ІС. Робота індикаторів НL1-НL8 свідчить про подачу на відповідні входи модуля рівнів логічної 1. У модулі використано світлодіоди видимого спектру випромінювання.

Зауважимо, що подані схеми модулів сумісні з цифровими інтегральними схемами ТТЛ (мікросхеми цієї серії виготовлені за, так званою, біполярною технологією; вони містять елементи, подібні на окремо виготовлені (дискретні) біполярні транзистори, діоди і резистори, причому діоди виготовляють на основі транзисторів – звідси й назва ТТЛ – транзисторно-транзисторна логіка). Аналогічні модулі доцільно виготовити і для роботи з ІС КМОН (ці мікросхеми будують за так званою МОН-технологією – метал-оксид-напівпровідник).

Рис. 5

Підвищений інтерес до цієї серії мікросхем викликаний у зв'язку з їх малою споживаною потужністю, що дозволяє виготовляти конструкції з автономним джерелом живлення.

В процесі вивчення розділу “Елементи цифрової техніки”, окрім виконання лабораторних робіт, програмою радіотехнічних гуртків передбачено практичне конструювання нескладних електронних блоків, що містять цифрові інтегральні схеми. Це сприятиме кращому засвоєнню теоретичного матеріалу, виробленню практичних умінь роботи з цифровими мікросхемами, розширенню загального політехнічного світогляду школярів.

2.2 Розробка лабораторних робіт до розділу «Елементи цифрової техніки»

Ефективність процесу вивчення розділу “Елементи цифрової техніки”, усвідомленого сприйняття та засвоєння учнями теоретичних основ функціонування сучасних електронних приладів залежить від багатьох як об’єктивних так і суб’єктивних чиннників, зокрема, організаційних форм та методів проведення занять, дидактичних підходів, прийомів тощо.

Чільне місце в цьому процесі відведено лабораторному практикуму.

Залучення учнів до виконання лабораторних робіт на заняттях шкільного радіотехнічного гуртка в ході вивчення розділу “Елементи цифрової техніки”, переслідує такі основні цілі:

-         закріплення теоретичних знань з основ математичної логіки;

-         вироблення вміння застосовувати їх у практичній діяльності (синтез електронних схем на логічних елементах);

-         закріплення практичних умінь з радіотехнічного експерименту:

-         розвиток творчих конструкторських здібностей;

-         виховання культури праці.

Зміст кожної лабораторної роботи містить основні теоретичні відомості, які стосуються виконуваного експерименту, запитання для самоконтролю глибини і якості їх засвоєння. Лабораторні завдання не лише пов’язують елементи теорії з виконанням експерименту, а й являють собою основу для самоконтролю результатів, оскільки усі розрахункові вихідні дані моделюються експериментом.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №1

Тема. Дослідження роботи логічних елементів

Мета роботи: ознайомитись з принципом роботи та основними характеристиками найпростіших логічних елементів.

Обладнання: монтажна плата, радіодеталі (згідно поданих схем), паяльник, монтажні проводи, авометр.

Теоретичні відомості

Сучасна цифрова інтегральна мікросхема — це мініатюрний електронний блок, що містить у своєму корпусі транзистори, діоди, резистори та інші активні і пасивні елементи,— загальне число яких може сягати декількох десятків і навіть сотень тисяч! В залежності від числа елементів, розрізняють мікросхеми малого ступеня інтеграції, мікросхеми середнього ступеня інтеграції, великі інтегральні мікросхеми і надвеликі інтегральні мікросхеми. Мікросхеми малого ступеня інтеграції можуть містити 10 — 30, а надвеликі - 100 і більше тисяч як активных так і пасивних елементів.

Досліди, експерименти, про які піде мова на лабораторному практикумі, розраховані на використання мікросхем серії К155. Мікросхеми саме цієї серії є найбільш використовуваними в радіоаматорських конструкціях: генераторах, ігрових автоматах, вимірювальних приладах тощо.

До серії К155 входять більш 80 мікросхем різного ступеня інтеграції і функціонального призначення. Основою багатьох з них служать логічні елементи — електронні блоки, що реалізують найпростіші функції алгебри логіки.

Логічних елементів, що працюють як самостійні цифрові мікросхеми малого ступеня інтеграції і як компоненти мікросхем більш високого ступеня інтеграції, можна нарахувати кілька десятків. Їх основу становлять елементи І, АБО, НЕ, І-НЕ. Елементи І, АБО, НЕ — основні, а елемент І-НЕ є комбінацією елементів І та НЕ.

Що ж являють собою ці «цеглинки» цифрової техніки, яка логіка їх дії? Відразу уточнимо: в основу роботи логічних елементів (та й цифрових мікросхем взагалі), покладено двійкову систему числення, яка базується на двох цифрах - одиниці (1) та нулі (0). Звідси й узагальнена назва розглянутих логічних елементів мікросхем та створюваних на їх базі приладів — цифрові. Ці дві цифри двійкової системи числення дозволяють записувати і «запам'ятовувати» практично будь-які числа. Наприклад, десяткове число 24, в двійковій системі числення, записується як 11000. Щоб отримати цей результат (перетворити число десяткової системи числення, в число будь-якої іншої системи) необхідно скористатись правилом ділення десяткового числа на основу тієї системи числення в яку треба перетворити дане число (тобто на 2, коли мова йде про двійкову систему числення). Остача від ділення на два може бути рівною 0 або 1. Значення остачі присвоюють молодшому розряду шуканого двійкового числа. Результат першого ділення знову ділять на два. Остачу (0 або 1) присвоюють наступному розряду двійкового числа. Подібну процедуру повторюють доти, поки результат ділення не дорівнюватиме нулю. Остача від останньої дії є значенням старшого розряду двійкового числа.

Особливо зручною дана система числення виявилася для програмування і роботи ЕОМ.

Відповідно до прийнятої системи числення електричний сигнал невеликого (чи нульового) рівня напруги, що складає десяті долі вольта, вважають логічним 0, а сигнал більш високого рівня напруги (у порівнянні з логічним 0 може сягати декількох вольт) - логічної 1. Наприклад, говорять: «на вхід елемента (чи мікросхеми) подано сигнал логічної 1». Це значить, що на вхід елемента (чи мікросхеми) подано електричний сигнал напруга якого сягає декілька вольт.

Рис. 6

Отже, рівнями (величинами електричних сигналів) на вході та виході логічних елементів, вираженими цифрами двійкової системи числення, характеризують електричний стан і роботу усіх цифрових мікросхем.

Графічне зображення логічного елемента І подано на рис.6а. Його умовним графічним символом є знак “&” (так в англ. мові позначають сполучник “і”), який ставлять усередині прямокутника. Ліворуч — два (може бути і більше) логічних входи – Х1 та Х2, праворуч — вихід Y. Логіка дії елемента така: сигнал логічної 1, з'явиться на виході лише тоді, коли сигнали такого ж рівня будуть подані на всі його входи.

Зрозуміти цей процес допоможе електричний аналог елемента (рис. 6в), зібраний з послідовно з'єднаних джерела живлення GВ1, вимикачів SВ1, SВ2 та лампи розжарення НL1. Вимикачі імітують наявність (присутність) електричного сигналу на вході аналога, а лампа - індикує рівень сигналу на виході. Розімкнутий стан контактів вимикачів відповідає сигналу логічного О, замкнутий - логічної 1. Доки контакти вимикачів не замкнуті (на обох входах логічний 0), електричне коло аналога розімкнуте, лампа не світиться. Неважко здогадатись: лампа засвітиться лише тоді, коли контакти кнопок SВ1 та SВ2 будуть замкнутими. У цьому і полягає логічний зв'язок між вхідними і вихідними сигналами елемента.

Про стан і логічний зв'язок між вхідними та вихідними сигналами в елементі І свідчить так звана таблиця істинності (рис. 6б.).

Рис. 7

Умовним символом наступного логічного елемента - АБО є цифра 1, розміщена усередині прямокутника (рис.7а.).

Даний елемент, як і попередній, може мати два і більше входи. Сигнал логічної 1 на виході Y, появиться лише при подачі такого ж сигналу на вхід Х1, або на вхід Х2, або ж одночасно на обидва входи. Щоб переконатися в такій логіці дії елемента АБО, слід провести дослід з його електричним аналогом (рис. 7в.). Лампа НL1 засвічуватиметься тоді, коли будуть замкнуті контакти кнопки SВ1, або SВ2.

На основі цих спостережень можна побудувати таблицю істинності для логічного елемента АБО (рис. 7б.)

Рис. 8

Умовним символом логічного елемента НЕ є також цифра 1 розміщена у лівому верхньому куті прямокутника (рис.8а). Але в нього, на відміну від попередніх, лише один вхід і стільки ж виходів. Невеликий кружечок, яким починається лінія зв'язку вихідного сигналу, символізує логічне заперечення «не» на виході елемента. Мовою цифрової техніки «не» означає, що даний елемент є інвертором - електронним пристроєм, вихідний сигнал якого протилежний вхідному. Інакше кажучи, поки на його вході діє сигнал логічного О, на виході присутній сигнал логічної 1 і, навпаки.

Електричний аналог елемента НЕ можна зібрати за схемою, поданою на рис. 8в. Електромагнітне реле К1, повинно мати групу нормально замкнутих контактів. Поки контакти кнопки SВ1 розімкнуті, обмотка реле знеструмлена і його контакти залишаються замкнутими; лампа НL1 – світить. При замиканні контактів SB1 (імітація появи вхідного сигналу), реле спрацьовує. Його контакти, розмикають коло живлення лампи. Погасла лампа символізує появу логічного 0 на виході Y.

Здебільшого, логічні елементи являють собою комбінацію схем І, АБО, НЕ. Так, наприклад, логічний елемент І-НЕ є комбінацією елементів І та НЕ. На його графічному зображенні (рис.8.1а) є знак «&», а на лінії вихідного сигналу - невеликий кружечок, що символізує логічне заперечення. Ці елементи, в основному, мають один вихід та два (може бути й більше) входів.

Рис. 8.1

Зрозуміти принцип дії такого логічного елемента допоможе його електричний аналог (рис. 8.1в.).

Послідовно з обмоткою реле включено два вимикачі SВ1 та SВ2, контакти яких імітують стан вхідних сигналів.

Коли контакти кнопок розімкнуті (лампа світиться), то на виході присутній сигнал логічної 1. Замкніть контакти одного з вимикачів у вхідному колі. Як на це зреагує індикаторна лампа? Вона продовжує світитись.

А якщо замкнути контакти обох вимикачів? У цьому випадку електричне коло, утворене батареєю живлення, обмоткою реле та контактами вимикачів буде замкнутим, реле спрацює, і своїми контактами розімкне коло живлення лампи. Таким чином, при наявності логічної 1 на обох входах, на виході буде сигнал логічного 0.

Логічний елемент І-НЕ має ще одну істотну властивість:

якщо його входи з'єднати разом і подати на них сигнал логічної 1, на виході елемента буде сигнал логічного 0. І навпаки, при подачі на об'єднаний вхід сигналу логічного О на виході елемента буде сигнал логічної 1. У цьому випадку елемент І-НЕ стає інвертором, тобто виконує функцію логічного елемента НЕ.

Промислові інтегральні мікросхеми того чи іншого призначення будують, в основному, на базі логічних елементів І-НЕ або АБО-НЕ. На основі таких елементів можна будувати схеми, які реалізують практично будь-які логічні функції.

Завдання

1.     На макетній платі змонтуйте електронну схему подану на рис.9.

Виводи 7 та 14 мікросхеми підключіть відповідно до мінусової та плюсової шини джерела живлення.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5