ПРИМЕНЕНИЕ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ В ДИСЦИПЛИНЕ "ЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ"

     Khlamov M.G. Application of imitating modeling in a discipline "Electronics systems". The structure and features of application in educational process of imitating mode! of electronic system is described. The model is constructed in environment "Mathcad 2000 Pro" and was applied in a laboratory practical work and course designing of discipline "Electronics systems"

     Применение математического моделирования в учебном процессе в настоящее время уже не требует ни агитации, ни детальных доказательств его достоинств и преимуществ. Оно рассматривается как одно из направлений в процессах компьютеризации образования и современного общества. Речь идет лишь о повышении эффективности процессов обучения и закрытии еще существующих брешей в процессах компьютеризации образования.

     Цифровое моделирование в учебном процессе преследует сразу несколько целей: это и формирование специальных навыков у студента путем воспроизведение ситуаций, максимально приближенных к условиям реального производства, и мобилизация полученных знаний для оценки ситуаций и принятия решений, и получение новых знаний, и другие. Как правило, модели, применяемые для этих целей, в отношении учебных дисциплин носят интегральный характер. Типичным примером таких моделей служат комплексные квалификационные задания, отличающиеся для различных специальностей уровнем использования ЭВМ.

     Обучающие модели используются и в отдельных дисциплинах. Здесь они носят частный, узко специализированный характер. В учебном плане эти дисциплины занимают различные позиции. Дисциплины завершающего этапа обучения базируются на целом комплексе предшествующих дисциплин и в этом смысле обучающие модели, используемые в этих дисциплинах, тоже носят черты интегральных. Однако от первых их отличает уровень интеграции.

     Поиск моделей для дисциплины "Электронные системы" (дисциплина завершающей стадии подготовки бакалавров направления "Электроника") привел автора к описываем далее моделям. Основу моделей составляют ситуации, связанные с деятельностью специалиста электронной техники в процессах разработки, настройки и эксплуатации электронных систем. Моделирование ситуаций осуществляется на примере системы контроля, приведенной на рис.1.

Рисунок-1. Обобщенная структурная схема электронной системы контроля На схеме обозначены устройства; Д - датчик; Пр (ПЭЦ-ЭС) - преобразователь параметр электрической цепи электрический сигнал; НПр - нормирующий преобразователь; ЛС короткая линия связи; СУ - согласующий усилитель; MAC - мультиплексор аналоговых сигналов; УВХ - устройство выборки-хранения; АЦП - аналого-цифровой преобразователь; МПУ(УиО) - микропроцессорное устройство (управления и обработки); ДОИ-дисплей отображения информации; сигналы: ФХПОК - физико-химический параметр объекта контроля; ПЭЦ параметр электрической цепи; ЭС - электрический сигнал; УЭС - унифицированный электрический сигнал; ЭС (ВхАЦП) - электрический сигнал входа АЦП; ДКИК - двоичный код измерительного канала; ФХПОК(ЦФ) физико-химический параметр объекте к контроля (цифровая форма); ФХЛОК(ПИ) физико-химический параметр объекта контроля (перцетивная информация), СУ1, СУ2 СУ3, СУ4, сигналы управления соответственно MAC. УВХ, АЦП, ДОИ.

     В структурном отношении модель состоит из четырех частей, относящихся к различным стадиям жизненного цикла электронных систем.

     Первая часть посвящена стадии проектирования электронной системы. На этой стадии формируются технические требования к электронной системе. Физико-химические параметры объекта контроля задаются ансамблем реализации, идентификация и статистический анализ которых являются базой для формулирования требований к электронной системе. В состав таких требований входят требования обеспечения динамического диапазона, требования к полосе частот пропускания электронной системы и др.

     Содержанием второй части является имитационное моделирование настройки электронных устройств системы. Электронная система задана имитационной моделью. Модель информационно-функциональная. Здесь моделируются процессы преобразования информационных сигналов и сообщений звеньями электронной системы рис.1. Модели звеньев двухкаскадные. Первым каскадом реализуется статическая характеристика преобразования, а вторым моделируются динамические свойства звена. Настройка электронных устройств выполняется с использованием настроечного сигнала. В качестве настроечного сигнала использовать изменения физико-химического параметра эталонного объекта. Для настройки электронных устройств используется трехуровневый сигнал, уровни которого соответствуют минимальному, среднему и максимальному значениям контролируемого параметра, определяемые в первой части. Выходные сигналы нормирующего преобразователя, согласующего усилителя должны иметь параметры заданных унифицированных сигналов. Эти же устройства обладают систематическим смещением выходных сигналов. В процессе настройки уточняются параметры точности настройки выходных сигналов и путем регулирования напряжений смещения и коэффициентов передачи добиваются требуемых параметров унифицированных сигналов с заданными показателями точности. Устанавливаются также параметры сигналов управления, обеспечивающие требуемый режим функционирования системы. Результатом функционирования настроенных электронных устройств системы является массив двоичных кодов АЦП, размещаемый в запоминающем устройстве МПУ.

     В третьей части устанавливаются параметры алгоритма масштабирования данных. Для этого имитируется градуировка измерительного канала. Формируется многоуровневый испытательный сигнал. Число уровней определяется степенью нелинейности измерительного преобразователя канала. Моделируется прохождение многоуровневого детерминированного сигнала по настроенной на предыдущем этапе электронной системе, устанавливаются двоичные кодовые комбинации, соответствующие фиксированным значениям контролируемого параметра. Двоичные кодовые комбинации переводятся в десятичные эквиваленты. По двум массивам: массив фиксированных значений контролируемого физико-химического параметра и массив десятичных эквивалентов двоичных кодовых слов, методом наименьших квадратов устанавливаются коэффициенты степенного полинома аппроксимации зависимости. Полученный степенной полином используется как масштабирующий. Оцениваются параметры точности функционирования модели электронной системы.

     В четвертой части, подключив к настроенной модели электронной системы сигнал изменения физико-химического параметра; одной из реализации,- выполняется исследование функционирования электронной системы при обработке реальных информационных сигналов. Решается измерительная задача: устанавливается степень соответствия массива результатов измерений исходной реализации физико-химического параметра; оцениваются показатели точности результатов измерений; студентом дается своя интерпретация полученных результатов. Например, может иметь место выход контролируемого параметра из зоны контроля. В измерительной системе при этом возникает "зашкаливание", обнаруживаемое на графиках сигналов. Это явление порождает аномальные погрешности. От студента при этом требуется объяснение наблюдаемых результатов измерений и явлений.

     Описанные модели построены в среде "Mathcad 2000 Pro" и были применены в лабораторном практикуме и курсовом проектировании дисциплины "Электронные системы", а также в дипломном проектировании специальности "Электронные системы". Применение рассмотренных моделей дало общий положительный эффект на процесс формирования специальных профессиональных навыков и знаний молодых специалистов.