XIV Міжнародна наукова інтернет-конференція ADVANCED TECHNOLOGIES OF SCIENCE AND EDUCATION (19-21.04.2018)

Русский English




Научные конференции Наукові конференції

Дуда С. Ф., Дуда Е. С. ИЗМЕРЕНИЯ В СОВРЕМЕННОЙ РАДИОТЕХНИКЕ И ЭЛЕКТРОНИКЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Дуда С. Ф., Дуда Е. С.

Одесская государственная академия технического регулирования и качества, Украина

ИЗМЕРЕНИЯ В СОВРЕМЕННОЙ РАДИОТЕХНИКЕ И ЭЛЕКТРОНИКЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Роль измерений в современной радиотехнике и электронике не только весьма значительна, но и продолжает неуклонно возрастать. Это связано с бурно растущим внедрением аппаратуры СВЧ в военную и космическую технику, физику, астрономию, различные производства и т.д.

По существующим нормам к технике СВЧ относится область частот выше 300 МГц или диапазон волн с λ=1м...1мм (дециметровые, сантиметровые и миллиметровые волны). Со стороны коротких волн к диапазону СВЧ примыкает область субмиллиметровых волн (λ=1...0,1мм), которые часто считают входящими в диапазон СВЧ. Оптический диапазон λ=(3∙10113∙1016 Гц) включает инфракрасные волны, волны видимого света и ультрафиолетового излучения.

Освоение новых, еще широко не используемых современной техникой диапазонов волн - традиционная задача техники связи, позволяющая значительно увеличивать объем передаваемой информации. Освоение волн длиной в километры и сотни метров привело к широкому развитию радиовещания и радиотелефонии. При освоении коротких волн в десятки метров стала возможной связь по радио в пределах всего земного шара при небольших мощностях метровых волн - появились телевидение и радиолокация.

Создавшаяся чрезмерная плотность использования спектра радиоволн и трудность применения его для космических исследований поставили перед наукой задачу перехода к СВЧ-диапазону волн. Работа в дециметровом и сантиметровом диапазонах позволила создать радиорелейные линии связи, значительно развить радиолокацию, космическую связь и радионавигацию.

Сверхвысокие частоты играют огромную роль не только в технике связи, но и в научных исследованиях.

Их применение в физике позволяет исследовать строение материи. Это область задач СВЧ-спектроскопии. В астрономии и астрофизике изучают СВЧ-излучения удаленных объектов Вселенной и дискретных космических источников. В биологии и биофизике исследование поглощения СВЧ биологическими объектами дает возможность понять молекулярное строение биологических сред. В медицине нагрев биологических тел СВЧ-полями используется в лечебных целях. Наконец, СВЧ применяется для диагностики плазмы, а также для ускорения электронов и протонов до релятивистских скоростей бомбардировки атомных ядер и изучения ядерных реакций. Кроме того, в науке и технике все время возникают и другие, новые применения СВЧ.

Электроника СВЧ принципиально отличается от «обычной» (низкочастотной) электроники целым рядом характерных моментов. В то время как в радиотехнике объемные размеры таких высокочастотных элементов, как катушки индуктивности, конденсаторы и резисторы, всегда малы по сравнению с длиной волны, на СВЧ приходится иметь дело с такими длинами волн, которые оказываются одного порядка и меньше, чем протяженность элементов схем и приборов. Длина волны становится соизмеримой также и с геометрическими размерами электродов, вводов и других конструктивных элементов схем.

В математических уравнениях, описывающих электромагнитное состояние таких схем, выступают частные производные по времени, а их решение - и здесь проявляется физическая сущность - приводит к волновым уравнениям.

Современные приборы являются сложными электронными комплексами, требующими внимательного и квалифицированного обращения. Поэтому цель выполняемых студентами работ - не только практическое ознакомление с основными разделами курса техники СВЧ и освоение принципов проведения измерений, но и овладение приемами использования новых приборов.

Курс техники СВЧ состоит из лекций по основам техники СВЧ и лабораторного практикума. Практикум рассчитан на широкий круг студентов старших курсов и специалистов, изучающих СВЧ с целью использования аппаратуры этого диапазона в различных научных и практических целях.

На лекциях с помощью видеопроектора демонстрируются различные материалы (к примеру, построение виртуальных моделей цепей, а также, с помощью соответствующих виртуальных приборов, режимы их работы). Все «мертвые» схемы учебника как бы оживают, что позволяет повысить заинтересованность студентов, сделать учебный процесс более интересным. Кроме того, студенты в качестве дополнительного задания могут выполнять презентации по отдельным темам.

Мультимедийные возможности современных программно-прикладных систем в отображении информации значительно отличается от привычных. Это отличие заключается не только в возрастании количества средств представления, таких как текст, графика, анимация, видео, звук, но и в иной форме организации данных, обусловленной возможностями программ.

Время выполнения каждой лабораторной работы рассчитано на четыре учебных часа. При этом значительная часть выделенного времени предназначена для подробного ознакомления с приборами.

Таким образом, в случае лабораторного практикума недостаток аудиторного времени особенно существенен, поскольку за отведенное время студенты должны сдать минимум по технике безопасности, а также получить допуск к выполнению лабораторной работы, ознакомиться с реальным лабораторным оборудованием и приборами, выполнить работу и защитить полученные результаты. Поэтому актуальным вопросом является разработка и внедрение в учебную практику таких форм организации учебного процесса, которые бы позволяли экономить аудиторное время.

В данном случае целесообразным является: во-первых, создание эмуляторов реальных лабораторных работ, которые позволяют студентам заблаговременно знакомиться с лабораторным оборудованием и методикой выполнения работы; во-вторых, организация системы тестового контроля готовности студентов к работе в лаборатории.

Первая из этих возможностей может быть реализована как комплекс виртуальных лабораторных работ, который позволит более глубоко изучить материал. Виртуальная лабораторная работа - информационная система, интерактивно моделирующая реальный технический объект и его существенные для изучения свойства с применением средств компьютерной визуализации. Виртуальные лабораторные работы рассматриваются как вспомогательный инструмент учебного процесса - ознакомление с принципами работы технических объектов, которые трудно постичь на реальном оборудовании.

Нетрудно заметить, что электротехническая подготовка строится на основе физики и математики. По сути, здесь в основном мы встречаемся с электрическими и электронными цепями и их моделированием в той или иной форме. В силу указанного обстоятельства открываются возможности для использования схемотехнических программ.

Большая часть указанных курсов с успехом может изучаться с помощью программы Electronics Workbench - Multisim. Среда программирования Electronics Workbench была разработана специально для решения задач электротехники и электроники. Набор встроенных компонент, таких как резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности; измерительных приборов, осциллографа позволяет моделировать достаточно сложные цепи, исследовать их работу в различных режимах.

Работая в виртуальном лабораторном проекте, студент может выполнять различные виды исследований, предусмотренных данной работой:

- создавать математическую модель изучаемого объекта;

- осуществлять имитационное моделирование физических процессов, возникающих в реальных условиях эксплуатации объекта при различных заданных параметрах и ограничениях;

- обрабатывать результаты исследования, вносить необходимые коррективы в характеристики рассматриваемого объекта и т.д.

Появление в программах Multisim 9 и NI Multisim 10 модулей LabVIEW и их дальнейшая интеграция, а также связи с реальными устройствами существенно повышают эффективность и возможности обучения, поскольку все указанные устройства имеют выход на системы проектирования и непосредственное использование в промышленности.

Однако следует отметить важный момент, что в программе Electronics Workbench (Multisim) отсутствует возможность построения векторных диаграмм и модели переменного тока, в этих случаях приходится использовать другие программы (Excel, Mathcad, MatLab). Данные программы являются относительно простыми, универсальными, набор встроенных функций позволяет создавать на их основе модели, применяемые в различных областях.

Приближение виртуального эксперимента к более реальному возможно при построении моделей с помощью более сложных приложений, разработанных на языках программирования высокого уровня, таких как С++ и Java. Данные языки программирования позволяют разработать системы автоматического построения векторной диаграммы, которая может быть сопоставлена с диаграммами студентов, построенными ими самими при выполнении лабораторной работы. Следует отметить, что в Electronics Workbench (Multisim) такая возможность отсутствует.

В любом случае, заметим, что выполнение виртуальных лабораторных работ существенно отличается от экспериментов на лабораторном столе. Отличие состоит в том, что компоненты редакторов являются лишь условными обозначениями реальных приборов, и, в некоторых случаях, может не совпадать порядок операций, выполняемых студентом во время лабораторной работы. При переходе на виртуальный практикум, отметим, что необходимо также использовать и реальные приборы, для того чтобы соблюдался баланс между реальными и виртуальными приборами. Это позволит сделать учебный процесс наиболее эффективным. Кроме того, знакомство с промышленными образцами приборов упростит молодым специалистам период адаптации к производственной работе после окончания вуза.

Для проверки готовности студентов к работе в лаборатории могут быть использованы тестовые задания, которые позволили бы сделать выводы о знании студентами целей, методики и порядка выполнения эксперимента, а также умении эксплуатировать измерительные приборы. Заметим, что в данных тестах можно проверять знание студентов на возможность обработки полученных результатов, а также их умение применить данные результаты в проведении дальнейших экспериментов.

Отметим, что в виду широкого развития интернет технологий, данные тесты могут быть размещены на сайте вуза либо на личном сайте преподавателя, что позволило бы оценивать знание студентов дистанционно, а время лабораторной работы затрачивать на более детальное изучение используемых приборов, а также методики проведения эксперимента. Данные тесты интерактивно выполняются студентами, система управления тестами (например, Moodle) сохраняет результаты тестирования, которые обрабатываются и предоставляются преподавателю. В случае если студент не набрал достаточного количества баллов, после дополнительной подготовки он может пройти повторное тестирование. На основании полученных данных о тестировании студентов преподаватель может выявить недостатки в подготовке каждого из студентов и организовать учебный процесс так, чтобы каждый из студентов после выполнения лабораторных работ мог детально разбираться в используемых приборах и методике проведения экспериментов.

Применение дистанционного тестирования не исключает также живого общения студентов с преподавателем, что делает его еще более эффективным. В ходе такого общения выясняются проблемные вопросы, которые обсуждаются либо индивидуально с каждым студентом, либо со всей группой, если данная проблема возникает у многих.

Таким образом, все вышеперечисленные нововведения в обучение позволят организовать более эффективную работу студентов при изучении курса, сэкономить аудиторное время, а также расширить возможности и сделать процесс обучения более интересным.

Литература:

•1.  Кардашев Г.А. Виртуальная электроника. Компьютерное моделирование аналоговых устройств. (МРБ,1251) Москва: Горячая линия - Телеком, 2002. - 260 с.

•2.  Кардашев Г.А. Цифровая электроника на компьютере. Electronics Workbench, Micro-Cap. (МРБ, 1263) Москва: Горячая линия - Телеком, 2003. - 311 с.

•3.  Кардашев Г.А. Радиоэлектроника - с компьютером и паяльником (МРБ, 1276). Москва: Горячая линия - Телеком, 2005. - 334 с.

•4.  Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench и ее применение. - Москва: СОЛОН-Пресс, 2003. - 736 с.

•5.  Полат Е.С. Новые педагогические и информационные технологии в системе образования // Учебное пособие для студ. педвузов и системы повыш. квалиф. пед. кадров. - М.: Издательский центр «Академия», 2002. - 272 с.

•6.  Троицкий Д.И. Виртуальные лабораторные работы в инженерном образовании / Д.И. Троицкий // Открытая всероссийская конференция «Преподавание информационных технологий в России-2007» [Электронный ресурс]. - www.it-education.ru/ 2007/reports/Troickiy.htm.

•7.   Электротехника и электроника в экспериментах и упражнениях. Практикум на Electronics Workbench. Т 1, 2 / Под ред. Д.И. Панфилова. - М.: Додека, 1999. - Т 1. - 271 с.; Т. 2. - 316 с.


Залиште коментар!

Дозволено використання тегів:
<a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <code> <em> <i> <strike> <strong>