Учебный измерительный комплекс

Использование: при изучении электротехнических дисциплин через выполнение измерительного эксперимента в различных учебных заведениях среднего и высшего профессионального обучения. Технический результат: расширение функциональных возможностей и области его использования. Сущность полезной модели: содержит базовый блок 1, сменный модуль 2, источник вторичного электропитания 3, блок индикации 4, персональная ЭВМ, коммутатор 6, блок из n виртуальных приборов 7 и шину управления 8 и заключается в подаче измерительных сигналов заданной формы и параметров в исследуемую учебную схему сменного модуля, снятия картины ее физических процессов в заданных точках с получением числовых данных, накоплении статистических данных и их обработке, проведении виртуального эксперимента по математическим моделям компонентов учебной схемы. Положительный результат: повышение качества обучения при изучении электротехнических дисциплин и выполнении метрологической аттестации электронных схем (устройств). 1 п. ф-лы, 1 илл.

Изобретение относится к устройствам обучения и предназначено для использования при изучении электротехнических дисциплин через выполнение измерительного эксперимента в различных учебных заведениях среднего и высшего профессионального обучения.

В настоящее время известны устройства для обучения, среди которых можно выделить следующие.

Известно устройство для оценки ответов обучаемых по авт. свид. SU 1417022 А2, G09B 7/02, приор. 1986.12.30, опубл. 1988.08.15, содержащее планшетное устройство для ввода учебной информации, блок регистрации задания, блок оценки задания, формирователь одиночных импульсов и два блока индикации

Известно устройство для оценки ответов обучаемых по авт. свид. SU 1511757 А2, G09B 7/02, приор. 1988.01.18, опубл. 1989.09.30, содержащее устройство ввода учебной информации, блок оценки, блок управления и регистрации ошибок, формирователь импульсов и блок индикации.

Известно устройство для обучения по патенту RU 2136054 С1, G09B 7/02, приор. 1997.01.14, опубл. 1999.08.27. Известное устройство содержит блок ввода учебной информации, выполненный в виде планшета или плаката с магнитными и магнитоуправляемыми элементами, электронные блок оценки, блок управления и регистрации ошибок, два блока индикации и генератор (формирователь) импульсов, соединенных между собой определенным образом для достижения поставленной задачи.

Известные устройства [1-3] имеют общие недостатки. Так, планшеты с входной учебной информацией связаны с электронной частью учебных стендов посредством шнуровой коммутации, что ведет к снижению их надежности в целом. Выполнение блоков электронной части известных устройств по жесткой схеме на элементах среднего уровня интеграции и невозможность использования программных средств имитации существенно ограничивает их функциональные возможности, ведет к снижению качества обучения.

В качестве прототипа выбрано устройство по патенту RU 2343555 С1, G09B 7/02, приор. 2007.05.24, опубл. 2009.01.10. Устройство содержит блок оценки в виде функционального генератора, осциллографа и источника вторичного электропитания на один вид питающих напряжений, сменный модуль, блок индикации и персональную ЭВМ стандартной комплектации.

Здесь персональная ЭВМ взаимодействует со сменным модулем, на котором размещена учебная электрическая схема через порты последовательно включенных виртуальных измерительных прибора - генератор и осциллограф. Применяемая схема выполнение измерительного эксперимента ограничивает возможности комплекса, не позволяя использовать дополнительные виртуальные измерительные средства из-за ограниченного количества портов персональной ЭВМ. Наличие источника вторичного электропитания с ограниченным набором питающих напряжений также сужает круг решаемых задач, в целом, ограничивая область использования.

Техническим результатом, достигаемым при реализации заявляемого устройства, является расширение функциональных возможностей и области его использования.

Для достижения технического результата в учебный измерительный комплекс, содержащий базовый блок, состоящий из сменного модуля, подключенный одними выводами к одним входам блока индикации, а другим выводом - к одному из силовых выходов блока источников вторичного электропитания, второй его силовой выход подключен к другому входу блока индикации, и персональную ЭВМ, введены последовательно включенные коммутатор и блок виртуальных приборов, подключенный выводами к одноименным информационным входам сменного модуля, другие силовые входы которого подключены к одноименным выводам блока источников вторичного электропитания, управляющие выводы блока источников вторичного электропитания и персональной ЭВМ объединены и подключены к шине управления, а информационный вывод персональной ЭВМ подключен к одноименному входу коммутатора.

Новыми отличительными функциональными узлами заявляемого учебного измерительного комплекса являются источник вторичного электропитания, формирующий набор питающих напряжений, блок из n виртуальных приборов и коммутатор на такое же количество входов.

Формирование набора питающих напряжений источником вторичного электропитания и их регулирование в заданном диапазоне позволяет проводить измерительный эксперимент с электрическими схемами сменного модуля в широком диапазоне питающих напряжений.

Возможность параллельной работы n применяемых виртуальных приборов с персональной ЭВМ через многопортовый коммутатор в процессе измерительного эксперимента электронных схем сменного модуля комплекса способствует расширению его функциональных возможностей, области использования путем ротации набора виртуальных приборов. Например, комплекс может быть использован, как учебное оборудование при изучении электротехнических дисциплин, так и в качестве профессионального метрологического комплекса.

Заявляемый учебный измерительный комплекс поясняется описанием и чертежами, где на фиг.1 показана его структурная схема. Его структурная схема имеет следующие функциональные элементы:

1 - базовый блок,

2 - сменный модуль,

3 - источник вторичного электропитания (ИВЭП),

4 - блок индикации,

5 - персональная ЭВМ (ПЭВМ),

6 - коммутатор,

7 - блок виртуальных приборов (БВП),

8 - шина управления.

Информационные выводы ПЭВМ 5 подключены к одноименным входам сменного модуля 2 через последовательно соединенные коммутатор 6 и БВП 7. Группа выходов сменного блока 2 подключена к одной группе выводов блока 4 индикации. Другой его вход подсоединен к одному из выводов ИВЭП 3, остальная группа выводов которого соединена с силовыми входами сменного модуля 2. Управляющие выводы ИВЭП 3 и ПЭВМ 5 объединены и подключены к шине 8 управления.

Учебный измерительный комплекс работает следующим образом.

В исходном состоянии устройство (фиг.1) обесточено. Его перевод в рабочее состояние осуществляется подачей управляющего сигнала «Управление» по шине 8 управления. Запускается ПЭВМ 5 и включается ИВЭП 3 базового блока 1, формируя необходимые управляющие программы и набор питающих напряжений на сменный модуль 2 устройства соответственно.

Измерительные приборы БВП 7 работают через многопортовый коммутатор 6 от ПЭВМ 5, подключаются к требуемым контрольным точкам исследуемой электрической схемы сменного модуля 2 и осуществляют физический измерительный эксперимент по заданной программе исследования, отображая его результаты количественно и качественно на виртуальных своих панелях, отображаемых на мониторе ПЭВМ 5 учебного измерительного комплекса.

Управление измерительными приборами (например, генератором, осциллографом, частотомером и др.) БВП 7 осуществляется через клавиатуру и манипулятор «мышь» ПЭВМ 5. При этом режимы работы отдельных элементов электрической схемы сменного модуля 2 и ИВЭП 3 отображаются на индикаторных элементах блока 4 индикации базового блока 1. При необходимости отдельные результаты процесса физического эксперимента могут быть выведены на локальное периферийное оборудование ПЭВМ 5 учебного измерительного комплекса для ознакомления с ходом измерительного процесса широкого круга обучаемых (на фиг.1 не показано), например, используя видеопроектор.

Получаемое изображение сигналов исследуемых процессов в заданной точке электронной схемы сменного модуля 2 оценивается качественно (по форме) и количественно (по числовым параметрам) измерительным оборудованием (БВП 7) учебного измерительного комплекса, позволяя обучаемому наблюдать физические процессы в динамике и статике, запоминать отдельные процессы с их числовыми данными в памяти ПЭВМ 5, производить детализацию их отдельных фрагментов, накапливать статистические данные физического эксперимента и производить их обработку посредством программных статистических программных средств ПЭВМ 5. Результаты исследований посредством периферийных устройств вывода (печатающее устройство, графопостроитель) ПЭВМ 7 учебного измерительного комплекса могут быть отображены на бумажном носителе, например при формировании отчета о проделанной работе.

После проведения физического эксперимента обучаемый имеет возможность с использованием технических средств учебного измерительного комплекса провести виртуальный эксперимент заданной задачи, используя соответствующие программные средства схемотехнического моделирования (например программный продукт MultySim v.10). Выполнить сравнительный анализ полученных данным в ходе натурно-виртуального моделирования. Кроме этого, виртуальный эксперимент позволяет обучаемому провести моделирование нестандартных режимов (процессов) работы электронной, электромеханической схемы или отдельного ее компонента по их математическим моделям, которые трудно или невозможно создать на реальных объектах.

Реализация «открытой архитектуры» заявляемого учебного измерительного комплекса, когда каждый из его виртуальных приборов БВП 7 через коммутатор 6 напрямую подключен к управляющей ПЭВМ 5, позволяет устанавливать требуемую номенклатуру измерительных средств простыми техническими операциями (коммутацией) без структурного его изменения. Использование ИВЭП 3 с широким набором питающих напряжений дает возможность существенного количественного увеличения электронных схем сменного модуля 2 с разным питающим профилем, наращивая, тем самым, номенклатуру учебных задач и делая учебный измерительный комплекс универсальным оборудованием, позволяя наряду с учебными задачами решать и профессиональные, связанные с метрологической аттестации электронных изделий.

Следовательно, универсальность и широкие функциональные возможности предлагаемого учебного измерительного комплекса, отсутствие шнуровой коммутации в процессе выполнения измерительного эксперимента, способствуя повышению его надежности, отличает его от известных аналогов и прототипа, позволяет обеспечить достижение поставленного технического результата с положительным эффектом.

Реализация (только для пояснения). Заявляемое устройство выполнено с использованием известной элементной базы. Сменный модуль 2 - представляет собой печатную плату с исследуемой электрической схемой на типовых электронных и электромеханических компонентах. ИВЭП 3 - выполнен по классической схеме регулируемого стабилизированного выпрямителя с резисторными делителями напряжения на выходе. Блок индикации 4 - реализован на светодиодных элемента. Коммутатор 6 - представляет собой USB-hub на 7 выводов промышленного изготовления. БВП 7 - представляет собой набор серийно изготавливаемых виртуальных приборов. ПЭВМ 5 - типовая ЦВМ типа Pentium III и выше с классическим набором периферийных устройств ввода/вывода.

Источники информации

1. Авт. свид. SU 1417022 А2, приор. 1986.12.10, опубл. 1988.08.15.

2. Авт. свид. SU 1511757 А2, приор. 1988.01.18, опубл. 1989.09.30.

3. Патент RU 2136054 С1, приор. 1997.06.14, опубл. 1999.08.27.

4. Патент RU 2343555 C1, приор. 2007.05.24, опубл. 2009.01.10, прототип.

Учебный измерительный комплекс, содержащий базовый блок, состоящий из сменного модуля, подключенный одними выводами к одним входам блока индикации, а другим выводом - к одному из силовых выходов источника вторичного электропитания, второй его силовой выход подключен к другому входу блока индикации, и персональную ЭВМ, отличающийся тем, что в него введены последовательно включенные коммутатор и блок из n виртуальных приборов, подключенный выводами к одноименным информационным входам сменного модуля, другие силовые входы которого подключены к одноименным выводам источника вторичного электропитания, управляющие выводы источника вторичного электропитания и персональной ЭВМ объединены и подключены к шине управления, а информационный вывод персональной ЭВМ подключен к одноименному входу коммутатора.