Проектирование методического комплекса
Содержание
Введение
. Основная часть
.1 Постановка задачи
.2 Обзор существующего положения
.3 Предлагаемое решение задачи
. Проектирование лабораторного
стенда
.1 Выбор элементной базы
2.2 Проектирование принципиальной
схемы
2.2.1 Сборка схемы дешифратора на
логических элементах в EWB512
2.2.2 Микросхемы дешифраторов
.2.3 Сборка схемы дешифратора на
микросхемах в EWB512
.2.4 Элементы схемы
.3 Проектирование монтажной схемы
устройства в EWB
. Изготовление действующего
устройства
.1 Изготовление действующего макета
устройства
.2 Исследование изготовленного
устройства
. Проектирование методического
комплекса
. Техника безопасности и охраны
труда
. Экономическая часть
.1 Расчет стоимости лабораторного
стенда и экономического эффекта ее внедрения
Заключение
Список использованных источников
Приложение
Введение
В системе работы по восприятию и усвоению нового
материала учащимися широкое применение находит метод лабораторно-практических
работ. Свое название он получил от лат. laborare, что значит работать. На большую
роль лабораторно-практических работ в познании, указывали многие выдающиеся
ученые. «Химии, - подчеркивал М.В. Ломоносов, - никоим образом научиться
невозможно, не видев самой практики и не принимаясь за химические операции»
[2]. Другой выдающийся русский химик Д.И. Менделеев отмечал, что в преддверии
науки красуется надпись: наблюдение, предположение, опыт, указывая тем самым,
на важное значение опытных (лабораторных) методов познания. [3]
В чем заключается сущность
лабораторно-практических работ как метода обучения? Лабораторно-практическая
работа - это такой метод обучения, при котором студенты под руководством
учителя и по заранее намеченному плану, проделывают опыты или выполняют
определенные практические задания, и в процессе их воспринимают и осмысливают
новый учебный материал.
Проведение лабораторно-практических работ с
целью осмысления нового учебного материала, включает в себя следующие
методические приемы:
) постановку темы занятий и определение задач
лабораторно-практической работы;
) определение порядка лабораторно-практической
работы или отдельных ее этапов;
) непосредственное выполнение
лабораторно-практической работы учащимися и контроль учителя за ходом занятий и
соблюдением техники безопасности;
) подведение итогов лабораторно-практической
работы и формулирование основных выводов.
Изложенное показывает, что
лабораторно-практические работы как метод обучения во многом носят
исследовательский характер, и в этом смысле высоко оцениваются в дидактике. Они
пробуждают у студентов глубокий интерес к окружающей природе, стремление
осмыслить, изучить окружающие явления, применять добытые знания к решению и
практических, и теоретических проблем. Метод этот воспитывает добросовестность
в выводах, трезвость мысли. Лабораторно-практические работы способствуют
ознакомлению студентов с научными основами современного производства, выработке
навыков обращения с реактивами, приборами и инструментами, создавая предпосылки
для технического обучения.
Выполнение лабораторных работ необходимо для
достижения образовательных целей на уровне специальности, а также дидактических
и развивающих целей учебных дисциплин и их составляющих.
В зависимости от задач, решаемых на лабораторных
занятиях, различают ознакомительные, экспериментальные и проблемно-поисковые
лабораторные работы.
В ознакомительных лабораторных работах
проводится изучение конструктивных особенностей, устройство средств
производственной деятельности (оборудования, инструментов приспособлений и
т.д.) и средств исследовательской деятельности (испытательных установок,
приборов и т.д.), а также их наладка и настройка.
Экспериментальные лабораторные работы включают
экспериментальные и исследовательские задания. Это могут быть задания по
изучению и отработке методики проведения различных исследований (например,
методики определения ударной вязкости при изучении сопротивления материалов),
по конструированию, переконструированию и доконструированию различных схем и
приспособлений. Например, составление электрических схем для измерения свойств
объектов, изменение конструкции зубчатой передачи для достижения вариаций
передаточного числа, по исследованию влияния различных факторов на свойства
объектов, по определению степени соответствия экспериментальных и расчетных
данных, по проверке, иллюстрации, подтверждению законов, закономерностей и т.д.
1. Основная часть
.1 Постановка задачи
Нам была поставлена задача спроектировать
лабораторный стенд и разработать методический комплекс для проведения
лабораторных работ по теме: «Дешифраторы».
Проблемно-поисковые работы также включают
постановку и проведение экспериментов. Отличаются они только степенью
проблемности экспериментальных задач. При этом речь идет об уровнях
проблемности этих задач для учащихся: новизне объектов, условий, в которых
проводится эксперимент по сравнению с известными ранее. К этой группе
лабораторных работ относятся и работы по проверке различных гипотез учебного и
научного уровня проблемности.
Данный методический комплекс необходимо
разработать для дисциплин: электротехника, схемотехника, электронная техника,
вычислительная техника, мехатроника, профессиональных модулей специальности
«Компьютерные сети и комплексы», «Автоматизация технологических процессов и
производств» и т.д.
.2 Обзор существующего положения
Перед разработкой и проектированием лабораторного
стенда проанализировали комплект учебной вычислительной техники (КУВТ) в
образовательном учреждении. КУВТ представляет собой совокупность технических и
программных средств, ориентированных на обучение и практическую работу. В ЕЭТК
имеется стенд марки «Учебная техника» (рисунок 1).
Рисунок 1 - Стенд марки «Учебная техника»
Стенд марки «Учебная техника» имеет ряд
недостатков:
высокая цена установки;
ограничение элементами, идущими в комплекте
все диоды, конденсаторы, резисторы, ключи и прочее
расположены в неудобных пластиковых коробках, для того чтобы использовать иной
номинал нужно разбирать эти коробки и перепаивать элементы. При такой работе
студент не ощущает полностью, что из себя представляют эти элементы.
.3 Предлагаемое решение задачи
В настоящее время в электромагазинах можно
приобрести электронные конструкторы-наборы, такие как «Знаток», «Матрешка». Они
позволяют создавать собственные электронные устройства за приемлемые деньги
(рисунок 2).
Рисунок 2 - Разновидности электронных
конструкторов
Достоинства:
отличный состав электронных компонентов (есть
все необходимое для начала изучения электроники);
понятное описание схем сборки с подробными
объяснениями;- подходит как для детей (среднего школьного возраста и старше),
так и для взрослых;- помимо описания схем, в руководстве имеется не менее
интересная теоретическая часть (полезна для тех, кто хочет начать разбираться с
электроникой);
Недостаток: мало разработано опытов.
Было замечено, что в наборе «Матрешка» имеется
макетная беспаечная плата. Она очень удобна в использовании, на ней 1252
контакта и более. На ней можно собрать любую схему и разобрать за считанные
минуты. Думаю, у каждого уважаемого себя электронщика должен быть такой очень
полезный девайс. Схемы с большим током в цепи лучше на такой плате не
проверять, так как контакты макетки могут просто-напросто выгореть.
2. Проектирование лабораторного стенда
.1 Выбор элементной базы
Приобрели плату для быстрого
макетирования BreadBoard, набор соединительных проводов и модуль питания
5V/3,3V.
Беспаечная макетная плата MB-102 на 830 точек
Рисунок 3 - Беспаечная макетная плата МВ-102
Для налаживания и тестирования, самодельных
электронных устройств, радиолюбители используют макетные платы. Применение
макетной платы позволяет проверить, наладить и протестировать схему ещё до
того, как устройство будет собрано на готовой печатной плате. Это позволяет
избежать ошибок при конструировании, а также быстро внести изменения в
разрабатываемую схему и тут же проверить результат. Понятно, что макетная
плата, безусловно, экономит кучу времени и является очень полезной в мастерской
радиолюбителя.
Достоинство беспаечной макетной платы:
это отсутствие процесса пайки при макетировании
схемы;
значительное сокращение процесса макетирования и
отладки устройств.
Беспаечная макетная плата состоит из
пластмассового основания (ABS пластик) в котором имеется набор токопроводящих
контактных разъёмов. Этих контактных разъёмов очень много. В зависимости от
конструкции макетной платы контактные разъёмы объединяются в строки, например,
по 5 штук. В результате образуется пятиконтактный разъём. Каждый из разъёмов
позволяет подключать к нему выводы электронных компонентов или токопроводящих
проводников диаметром, как правило, не более 0,7 мм.
Контактные разъёмы выполнены из фосфористой
бронзы и покрыты никелем. Благодаря этому, контактные разъёмы (точки)
рассчитаны на 50000 циклов подключения/отключения. Контактные разъёмы позволяют
подключать выводы радиодеталей и проводники диаметром от 0,4 до 0,7 мм.
А вот так выглядит отладочная плата для
микроконтроллеров серии Pic, собранная на беспаечной макетной плате.
Рисунок 4 - Собранная схема на беспаечной
макетной плате
Здесь индекс i функции fi вычисляется по формуле
Каждое уравнение дешифратора
представляет одну из конъюнкций совершенной дизъюнктивной нормальной формы соответствующего
набора таблицы истинности.
Рис. 1
Рис. 2
По способам построения дешифраторы
классифицируются на линейные, прямоугольные и пирамидальные.
Для линейного дешифратора число каскадов k равно
единице, число клапанов (схем И, ИЛИ-НЕ) М=2n и общее число входов в
клапаны М= n 2n
Если разрядность дешифрируемого слова n больше
максимально возможного числа входов клапана в используемой базе элементов, то
для реализации функций необходимо объединить схемы в каскад из нескольких
клапанов. В таком случае дешифратор уже не будет линейным (однокаскадным).
Если строить схему дешифратора по методу
каскадов, т.е. первый каскад для дешифрации двух переменный (x1,x2),
затем использовать выходы первого каскада для построения дешифратора из трех
переменных (x1,x2,x3), выходы второго каскада
для построения дешифратора из четырех переменных (x1,x2,x3,x4)
и т.д., то на n -м каскаде схемы дешифратора будет 2n элементов “И”,
а общее число всех элементов определяется из соотношения
M=4+8+16+…+2n=2(2n-2)
Полный дешифратор, построенный по методу
каскадов, является пирамидальным дешифратором (k=n-1). Схема пирамидального
дешифратора представлена на рис.1, на первый каскад которого поступает сигнал
синхронизации дешифрации работы C.
Поскольку любую функцию дешифратора из системы
логических функций полного дешифратора в базисе «И/НЕ» на n=m+s входов можно
представить в виде конъюнкции двух соответствующих функций
для полных дешифраторов на m и s=n-m
входов (например, 
), то
пирамидальный дешифратор представляет собой полный дешифратор на n входов,
построенный за счет многократного объединения полного дешифратора на m=2,3,…n
-1 входа и полного дешифратора на один вход s=1.
Быстродействие пирамидального
дешифратора определяется временем дешифрирования tдш=kτсрk, где τсрk - среднее
время задержки сигнала формирования функции на клапанах k-го каскада
дешифратора. Тогда с увеличением числа каскадов быстродействие пирамидального
дешифратора, построенного на одинаковых элементах, уменьшается в k раз. Поэтому
для повышения быстродействия и экономии оборудования, сложные дешифраторы
строятся, как правило, прямоугольными. Прямоугольные дешифраторы строятся путем
объединения линейных дешифраторов на меньшее число входов (рис.2) m и s
схемами, реализующими конъюнкцию 
. Дешифратор, построенный по
принципу разбиения n “почти пополам”(s>1), обычно называется прямоугольным
дешифратором.
Функциональная схема прямоугольного
дешифратора для четырехразрядного (n=4) входного слова показана на рис. 2.
Количество клапанов “И” в двухкаскадном (K=2) прямоугольном дешифраторе можно
определить по формуле 
Вопросы для закрепления теоретического материала
к практическому занятию:
Расскажите принцип работы линейного
дешифратора, его назначение и характеристики.
Определите быстродействие
пирамидального дешифратора на три входа.
Определите быстродействие
прямоугольного дешифратора на шесть входов.
Задания для практического занятия:
1. Собрать
схему дешифратора в соответствии с заданным вариантом и провести её
исследование по методике, используя пакет Electronics Workbench.
Вариант 1- DС(0,3), прямоугольный, базис 2И/НЕ;
Вариант 2- DС(0,4), пирамидальный, базис 2ИЛИ/НЕ;
Вариант 3- DС(0,4), линейный, базис 5ИЛИ/НЕ;
Вариант 4- DС(0,3), пирамидальный, базис 2И/НЕ;
Вариант 5- DС(0,4), прямоугольный, базис 3И/НЕ.
. Построить временные диаграммы работы
дешифратора, используя все кодовые входные комбинации. Определить состояние
выходов в соответствии с заданным преподавателем входным набором.
. Изучить работу микросхемы КР1533ИД14.
. В EWB составить принципиальную схему работы
микросхемы КР1533ИД14.
. В EWB составить монтажную схему работы
микросхемы КР1533ИД14.
. Собрать схему с микросхемой КР1533ИД14 на
беспаечной макетной плате.
Отчет по работе должен содержать:
·
схему
дешифратора в соответствии с вариантом; уравнения, по которым построена схема в
заданном базисе; описание работы, распечатки временных диаграмм работы;
·
фотография
собранной схемы на макетной плате;
·
индивидуальные
выводы в одном предложении, которые начинаются со слов: "Установлено,
что…", "Показано, что…".
Инструкция по выполнению практической работы.
Перед началом работы познакомится с базовыми
логическими элементами и изучить Electronics Workbench.
Порядок выполнения отчета по практической
работе.
Отчет должен содержать:
1 Название работы.
2 Цель работы.
Задание и его решение.
Вывод по работе.
Лабораторная работа №2.
Тема: «Дешифраторы. Микросхема
КР514ИД1».
Учебная цель: изучение работы дешифратора.
Образовательные результаты, заявленные во ФГОС
третьего поколения:
Студент должен
уметь:
использовать типовые средства вычислительной
техники и программного обеспечения;
знать:
виды информации и способы ее представления в
электронно-вычислительной машине.
Задачи лабораторной работы:
Изучить работу дешифратора на 4
адресных входа.
Научиться составлять таблицы истинности
работы дешифраторов на несколько адресных входов и временные диаграммы.
Научиться строить принципиальные и
монтажные схемы в EWB.
Научиться составлять схемы дешифраторов
на беспаечной макетной плате.
Обеспеченность занятия (средства обучения):
1 Рабочая тетрадь (обычная).
2 Ручка и карандаш простой.
ПО Еlectronic workbench.
Беспаячная макетная плата.
Микросхема дешифратора КР514ИД1.
Комплект перемычек.
Резисторы.
Кнопки.
Светодиоды.
7-сегментный индикатор.
Блок питания.
В работе используется 7-ми сегментный индикатор,
он может быть красного цвета (с яркостью 15-20 мКд и выше) или зелёного, но
повышенной яркости (от 50 мКд и выше). В теме “Цифровые индикаторы” установка
произвольного числа (от 0 до 9) на индикаторе выполнялась с помощью семи переключателей,
то есть, для каждого числа нужно было установить свой набор в ручную! В
цифровых схемах роль переключателей обычно выполняют специальные микросхемы
дешифраторы-преобразователи кода (здесь микросемаКР514ИД1). Выходов у
дешифратора семь, их столько же, сколько сегментов (светодиодов) в цифре
индикатора (индикаторная “точка” не считается). Дешифратор преобразует
двоично-десятичный код на входах (выводы 5, 1, 2, 4) в семипозиционный код
(семь выходов -A, B, C, D, E, F, G) управления семисегментными светодиодными
индикаторами. На этом этапе работы состояние двоично-десятичного кода
определяется состояниями кнопок, подключённых к входам дешифратора (выводы5, 1,
2 и 4).
Вместо кнопок можно использовать простые
перемычки.
Схема подключения индикатора к дешифратору
выглядит совсем просто, так как внутри самой микросхемы находятся
токоограничивающие сопротивления. Особенностью дешифратора КР514ИД1 является
то, что он используется с индикаторами, у которых светодиоды объединены
катодами, а их аноды соединяются с соответствующими выходами дешифратора.
Справка: Для работы с индикаторами с общим
анодом (ОА) используются дешифраторы КР514ИД2, при этом, обязательно
устанавливаются токоограничивающие сопротивления !!!
Чтобы сегмент (светодиод) индикатора засветился,
на выходе дешифратора должен быть высокий уровень напряжения (в таблице он
обозначен “1”). Соответственно при нулевом уровне напряжения (в таблице он
обозначен “0”) сегмент светиться не будет. Например, для вывода
числа8необходимо чтобы светились все сегменты индикатора (A, B, C, D, E, F, G),
а при выводе числа 1- только сегменты BиC, смотрите таблицу:
Вопросы для закрепления теоретического материала
к практическому занятию:
Расскажите различие между 7-сегментным
индикатором с общим анадом и общим катодом.
Задания для практического занятия:
1 Собрать схему 7-сегментного индикатлора в
Electronics Workbench и установить, с помощью ключей, цифру, заданную
преподавателем.
В EWB составить принципиальную схему работы
микросхемы КР514ИД1.
В EWB составить монтажную схему работы
микросхемы КР514ИД1.
Собрать схему с микросхемой КР514ИД1 на
беспаячной макетной плате.
Отчет по работе должен содержать:
·
схему
дешифратора в соответствии с вариантом; уравнения, по которым построена схема в
заданном базисе; описание работы, распечатки временных диаграмм работы;
·
фотография
собранной схемы на макетной плате;
·
индивидуальные
выводы в одном предложении, которые начинаются со слов: "Установлено,
что…", "Показано, что…".
Инструкция по выполнению практической работы
Перед началом работы познакомится с базовыми
логическими элементами и изучить Electronics Workbench.
Порядок выполнения отчета по практической работе
Отчет должен содержать:
Название работы.
Цель работы.
Задание и его решение.
Вывод по работе.