JP2004317601A - 電子回路学習装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電子部品学習装置は特殊な実験用基板や電子部品が必要で、設備費が高くつき、信号源や測定装置を電子回路に応じて用意する必要があった。
【解決手段】絶縁基板３４上に所定パターンの導電ランド３６を多数形成した実験用基板３２を支持する基板支持体３８にパーソナルコンピュータ５４から供給される制御信号により所定の信号を発生し、測定用端子４２ｂ、４４ｂに供給された信号をデジタル化して出力する信号処理部４６を備え、信号処理部４６によりデジタル化された出力信号をパーソナルコンピュータ５４内部で処理して表示装置５８上に表示させる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電気・電子工学系の学生や新入社員あるいは電気・電子系技術職へ機械系技術職など他の分野から移行し電気・電子系の経験が浅い技術者などが実際に電子部品を組み合わせて学習用電子回路を組み上げその動作を確認できるようにした電子回路学習装置に関し、特に最小限の設備で学習効果を高めることができる電子回路学習装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気・電子工学系の学校や企業などでは学生や技術者に対して基本的な電子回路理論を教科書やハンドブックを利用して教育し、さらには電子部品を組み合わせて実際に電子回路を組み立てさせこの電子回路に発振装置や電圧計、オシロスコープなどの測定装置を接続して動作を確認させて理解を深めるようにしている。
【０００３】
このような教材として特許文献１には図９に示すような電子回路学習装置が開示されている。図において、１０は第１の基板で、その表面には印刷により電子部品１２の配置図を兼ねた回路図１４が表示され、電子部品１２の電極（リード）１２ａや図示省略するが、異なる電子部品１２の間を接続する接続線、電源供給線、信号線、出力線などの端部を挿通する貫通穴１０ａが回路図１４上の要部に穿設されている。１６は第１の基板１０の下方に対向配置された第２の基板で、第１の基板１０の貫通穴１０ａから下方に突出した電子部品１２のリード１２ａを保持し電気的に接続するクリップ部材１８が固定され、回路図１４に対応して形成した導電パターン２０の要部に前記クリップ部材１８を接続している。この電子回路学習装置は回路図１４の配置図上に電子部品１２をその電極１２ａを貫通穴１０ａに挿入することにより、電極１２ａがクリップ部材１８に電気的接続し、導電パターン２０により回路を構成することができる。
【０００４】
また、同文献には図１０に示す電子回路学習装置も開示されている。図において、２２は配線基板で、絶縁基板２４の表面に多数の方形導電ランド２６をマトリクス状に多数形成し、各導電ランド２６の領域内に複数例えば４つのスルーホール２８を形成している。導電ランド２６のスルーホール２８に電子部品１２の電極１２ａを挿入し、異なる電子部品１２間を接続線３０により接続して学習用電子回路を構成することができる。
【０００５】
図９装置は回路図１４上に電子部品１２を配置するだけで電子回路を構成できるため初めて電子回路を学ぶ学生に向いている。また、図１０装置は配線基板２２の構造が簡単で安価であるが、回路図と電子部品１２の配置とが必ずしも一致しないため、ある程度経験のある技術者に向いている。
【０００６】
一方、特許文献２には外形や寸法が異なる電子部品のリード径、リード間隔を規格化しさらに外表面に電子部品の記号や値を表示した学習用電子部品が開示されている。この電子部品を図９装置に組み合わせることにより学習効果の向上が期待できる。
【０００７】
【特許文献１】特開平１０−２２６００号（「従来の技術」の欄、「発明の実施の形態」の欄、図３、図５）
【特許文献２】特開平１０−１２６０６６号（「発明の実施の形態」の欄、図１）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで図９に示す装置は電子部品１２の電極１２ａを貫通穴１０ａに挿入するだけで電子回路を構成できるため、電子部品１２の交換が容易で電子回路の部品定数を容易に変更できるため学習効果を高めることができる。
【０００９】
しかしながら電子回路に対応した第１、第２の基板１０、１６を用意する必要があり、さらには貫通穴１０ａやクリップ部材１８に適合する太さ、長さの電極１２ａを備えた電子部品１２を用意する必要があるため、コストがかかるという問題があった。また図１０に示す装置もスルーホール２８に電子部品１２の電極１２ａを挿入して電子回路を構成するため、スルーホール２８の径に合わせて電極１２ａの径を揃える必要があった。さらには図９装置、図１０装置はともに、組み上げた学習用電子回路の動作を確認するため電源装置や波形や周期、振幅が設定可能な発振装置（ファンクションジェネレータ）などの信号源と、電圧・電流計、オシロスコープなどの測定装置が必要である。電源装置は複数の学習装置に共用可能であるが、信号源や測定装置は学習装置毎に必要で、アナログ系とデジタル系の電子回路に対応させるために学習装置毎に装置を用意するにはコストが嵩み小規模な学校や企業、個人の導入は困難であった。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題の解決を目的として提案されたもので、絶縁基板上に所定パターンの導電ランドを多数形成した実験用基板と、信号供給端子、測定用端子を含む端子群を有し、外部からの制御信号により所定の信号を発生して信号供給端子に供給するとともに測定用端子に供給された信号をデジタル化して出力する信号処理部と、信号処理部を制御して波形、周期、振幅が設定された所定の信号を発生させ、信号処理部から供給される出力信号を処理して表示装置上に表示させるパーソナルコンピュータとを備え、前記端子群から選択された端子を実験用基板上に構成した学習用電子回路の要部に接続し、学習用電子回路の要部の出力信号を表示装置に表示させるようにしたことを特徴とする電子回路学習装置を提供する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を適用した電子回路学習装置の具体的実施形態を図１から説明する。図において、３２は実験用基板で、矩形状の絶縁基板３４上に、一般使用されるアナログ系電子部品やデジタル系電子部品の電極の形状、寸法、配列を考慮して一例として図２に示すような所定パターンの導電ランド３６を多数形成している。３８は実験用基板３２を支持する基板支持体で、表面に凹所３８ａが形成され、この凹所３８ａの対向壁に形成したガイド溝３８ｂ、３８ｂに実験用基板３２の両側部分を挿入して凹所３８ａ内に実験用基板３２を支持している。この基板支持体３８には凹所３８ａ近傍に、図示例では正負ゼロ電圧に対応する３個の電源端子４０ａ、４０ｂ、４０ｃと、アナログ系信号供給端子群４２ａ、アナログ系測定用端子群４２ｂ、デジタル系信号供給端子群４４ａ、デジタル系測定用端子群４４ｂが配置され、必要に応じて電源スイッチやパイロットランプなどが配置されている。この基板支持体３８にはさらに外部からの制御信号により所定の信号を発生して信号供給端子群４２ａ、４４ａに供給するとともに測定用端子群４２ｂ、４４ｂに供給された信号をデジタル化して出力する信号処理部４６が内蔵されている。４８は基板支持体３８の外周に固定された外部電源接続端子で、電源端子４０ａ、４０ｂ、４０ｃに接続されている。５０、５２は後述するパーソナルコンピュータに接続される低速用と高速用のシリアルバス端子を示す。５４はキーボード５６と画像表示装置５８、シリアルバス端子６０を備えたパーソナルコンピュータで、図示例では低速用シリアルバス端子６０がケーブル６２によって基板支持体３８の低速用シリアルバス端子５０に接続されているが、実験用電子回路が高速動作するものでは高速用シリアルバス端子が用いられる。
【００１２】
上記基板支持体３８の信号供給端子群４２ａ、４４ａ、測定用端子群４２ｂ、４４ｂからパーソナルコンピュータ５４までの回路ブロックを図３に示す。図において、図１と同一部分には同一符号を付して重複する説明を省略する。図中、６４、６６は第１、第２のフォトカプラで、図示詳細は省略するが第１のフォトカプラ６４はその発光部がシリアルバス端子５０の出力ポートに、第２のフォトカプラ６６の受光部はシリアルバス端子５０の入力ポートにそれぞれ接続されている。６８はマイクロプロセッサで、図示省略するがＲＯＭ及びＲＡＭを備えている。このマイクロプロセッサ６８の入力ポートには、前記第１フォトカプラ６４の受光部から出力されさらに２値化された出力が入力され、マイクロプロセッサ６８の出力ポートから出力された信号が第２フォトカプラ６６の発光部に接続される。７０はＤ／Ａコンバータで、マイクロプロセッサ６８から供給されるデジタルデータをアナログデータに変換する。７２はＤ／Ａコンバータ７０の出力電圧範囲を例えば０〜５Ｖから±１０Ｖの電圧範囲に変換する第１のレベルコンバータで、その出力は信号供給端子群４２ａに接続されている。７４は第２のレベルコンバータで、アナログ系測定用端子群４２ｂから入力される電圧範囲を例えば±１０Ｖから０〜５Ｖの電圧範囲に変換する。７６はＡ／Ｄコンバータで、第２のレベルコンバータ７４の出力をデジタルデータに変換し、マイクロプロセッサ６８の入力ポートに接続される。マイクロプロセッサ６８の出力ポートはデジタル系信号供給端子群４４ａに、入力ポートはデジタル系測定用端子群４４ｂにそれぞれ接続されている。信号処理部４６は上記第１、第２のフォトカプラ６４、６６、マイクロプロセッサ６８、Ｄ／Ａコンバータ７０、第１、第２のレベルコンバータ７２、７４、Ａ／Ｄコンバータ７６で構成され、ケーブル６２を介して接続されたパーソナルコンピュータ５４から供給される制御信号に基づいてマイクロプロセッサ６８のＲＯＭに書き込まれたプログラムを実行制御し、波形、周期、振幅が設定された所定の信号を発生し信号供給端子群４２ａ、４４ａに出力する。また測定用端子群４２ｂに供給されＡ／Ｄ変換されたデジタル信号又は測定用端子群４４ｂに供給されたデジタル信号をパーソナルコンピュータ５４に送出する。パーソナルコンピュータ５４はキーボード操作又は画面上に表示させた制御コマンドをマウス操作により選択することにより信号処理部４６を制御する制御信号を発生するとともに、信号処理部４６からのデジタル化された出力信号を内部処理して表示装置５８上に表示させる。
【００１３】
これにより、信号処理部４６はパーソナルコンピュータ５４からの制御信号により、所望の信号を発生するファンクションジェネレータを含む信号源として機能し、また信号処理部４６から出力されるデジタル信号を処理して、電圧値や電流値を表示する電圧・電流計、あるいは信号の波形を表示するオシロスコープなどの測定装置として機能する。
【００１４】
この電子回路学習装置を用いた学習方法を以下に説明する。学習者はまず、実験用基板３２上に電子部品を組み付けて例えば図４に示す学習用電子回路を組み立てる。電子部品は電極の径や長さ、配列間隔がまちまちな一般的な電子部品を用いることができる。電子部品の電極を実験用基板３２の導電ランド３６に電気接続し各電子部品を電気接続して電子回路を構成するが、この電気接続には導電性接着材として銀や銅、ニッケルなどの導電性フィラーをエポキシ樹脂などの耐熱性樹脂に分散させたものや低融点合金、例えば安価な半田を用いることができる。樹脂系導電性接着材は硬化に長時間を要すという欠点があるが接着状態によってばらつく抵抗値が電子回路の動作に影響することを理解させることができる。また半田を用いると短時間で接続でき、半田鏝を用いた半田付け作業も実習でき、これを繰り返すことにより半田付け作業の習熟ができる。この作業は実験用基板３２を基板支持体３８から取り外した状態で行うことができるため、学習者は実験用基板３２と実験用電子部品があればどこででも学習用電子回路を組み立てることができる。このようにして学習用電子回路を組み上げると、電子部品の極性間違いや異部品、誤配線、短絡、断線のないことを確認し、実験用基板３２を基板支持体３８に装着する。図４に示す実験用電子回路はオペアンプ７８の入力端に第１の抵抗Ｒ１を接続し、入出力端に第２の抵抗Ｒ２を接続した反転増幅器で、正負の電源端子Ｖ＋、Ｖ−を電源端子４０ａ、４０ｂに、接地端子ＧＮＤを電源端子４０ｃにそれぞれ接続し、入力端子ＩＮを信号供給端子群４２ａの一つに、出力端子ＯＵＴを測定用端子群４２ｂの一つに接続する。このように基板支持体３８上で実験用電子回路への接続作業が完了すると、外部電源接続端子４８に外部電源（図示せず）を接続し、基板支持体３８の信号処理部４６とパーソナルコンピュータ５４とをケーブル６２によって接続し、学習用電子回路の動作を確認できるようにする。
【００１５】
この装置ではパーソナルコンピュータ５４内部のプログラムにより例えば図５に示す画像が画像表示装置５８上に表示される。画面上部には学習用電子回路の入力端子に接続されるファンクションジェネレータの出力信号として、信号供給端子群４２ａに供給する異なる（図示例では３つの）波形の信号の電圧（振幅）レベルが表示され、キーボードまたはマウス操作により調整可能としている。画面中間部には学習用電子回路の入出力端子だけでなく任意の場所の状態を表示しており、測定用端子群４２ｂに供給される信号の電圧、図示例では２箇所の電圧を横バーグラフと数値で表示している。画面下部には測定用端子群４２ｂに供給される信号の波形を表示するオシロスコープとして機能し、実験用電子回路が反転増幅器の場合、入力信号と出力信号とが反転した波形が表示される。入出力端子が多数ある場合には信号供給端子群４２ａ、４４ａや測定用端子群４２ｂ、４４ｂと学習用電子回路の接続には図６に示すように、コネクタ８０に接続した平行ケーブル８２の他端にクリップ８４を接続した接続治具８６を用いることができる。
【００１６】
この電子回路学習装置は実験用基板３２上で組み立てた学習用電子回路を取り外すことにより繰り返し再利用でき、実験用基板３２が損耗すれば、基板支持体３８から取り外して新たな実験用基板３２と交換できる。また実験用基板３２は絶縁基板３４上に導電ランド３６を形成しただけの簡単な構造であるため安価である。
【００１７】
さらにはパーソナルコンピュータ５４によって基板支持体３８内の信号処理部４６を制御して所望の信号を発生させ、この信号を学習用電子回路に供給し、電子回路を通った信号を信号処理部４６によってデジタル化し、このデジタル信号をパーソナルコンピュータ５４に送出して画像表示させるようにしたから、アナログ系、デジタル系いずれの電子回路でも動作を確認することができ、キーボードまたはマウスを操作するだけで所望の信号源に切り替えることができ、電圧計、電流計、オシロスコープなど個別の測定装置は不要である。
【００１８】
このように安価な実験用基板３２を交換可能とし、学習用電子部品として特殊な構造の電子部品を用いる必要はなく、信号源、測定装置を信号処理部４６とパーソナルコンピュータ５４によって実現できるため、導入費、維持費が少なくて済み、小規模な学校や企業、個人でも容易に導入でき、半田付け作業により組立てすることにより、半田付け技能も向上させることができる。
【００１９】
図１に示す電子回路学習装置は、以下のような実施形態も可能である。すなわち、パーソナルコンピュータ５４に、信号制御部４６を制御し信号処理部４６から供給される信号を処理する制御ソフトと、電子回路シュミレーションソフトとを内蔵させ、電子回路シュミレーションソフトにより学習用電子回路図と同じ仮想の電子回路をパーソナルコンピュータ５４内に構成し、学習用電子回路に供給する信号と同じ波形、周期、振幅の信号データを前記仮想の電子回路に供給して、学習用電子回路と仮想の電子回路のそれぞれの要部の出力信号を表示装置５８に異なる発光色で表示させることができる。
【００２０】
仮想の電子回路を電子回路シュミレーションソフトで実現するためのデータ群は、キーボード及びマウスを用いて個別に設定することの他、予め学習用電子回路毎に設定したデータ群をパーソナルコンピュータ５４に記憶させ、必要なデータ群を選択することにより仮想の電子回路を簡単に設定できる。
【００２１】
この実施形態による表示装置５８上の表示画面の一例を図７に示す。図において、図５と同一表示部分の説明は重複するため省略する。この画面の右上部分には学習用電子回路と同じ仮想電子回路、図示例では反転増幅器が表示され、画面下部には入出力信号波形を表示している。学習用電子回路は太線、仮想電子回路は細線、入力信号は点線、出力信号実線でそれぞれ表示しているが、色分け表示することにより識別を容易にできる。これにより学習用電子回路の動作状態と仮想電子回路の動作状態とを表示画面上で比較でき、学習効果を高めることができる。
【００２２】
図８は実験用基板の変形例を示す。図において、８８は配線フィルムで、可撓性、耐熱性を有する絶縁フィルム９０上に所定パターンの導電ランド９２を形成しものである。９４は硬質基板で、導電性を有する金属や電気的絶縁性を有する樹脂などが用いられ、この硬質基板９４上に配線フィルム８８を剥離可能に貼着して実験用基板９６が構成される。この実験用基板９６は硬質基板９４の材料を選択することにより、放熱性を調整でき、パワートランジスタなど発熱量の大きい電子部品に対応できる上、薄い配線フィルム８８を交換することにより実験用基板９６を更新できる。また、配線フィルム８８を細分化し、電子部品の寸法、電極配列に応じて導電ランド９２を形成した配線フィルム８８を硬質基板９４に選択的に貼り付けることにより、電子回路図上の回路部品の配列位置に近似して電子部品を配列させることができ、特定の電子回路だけでなく特殊な電子回路にも容易に対応させることができ、学習効果の高い実験用基板を安価に実現できる。
【００２３】
このように本発明による電子回路学習装置は、信号処理部４６をパーソナルコンピュータ５４で制御することにより所望の信号を発生し、この信号を必要に応じて実験用電子回路に供給し、実験用電子回路の要部の信号を信号処理部４６によってデジタル化してこの出力信号をパーソナルコンピュータ５４によって処理することにより表示装置５８の画面上に信号の波形、周期、振幅を表示させるようにしたから、アナログ系とデジタル系のそれぞれの電子回路にも対応させることができ、学習装置毎に個別の信号源や測定装置を用意する必要がない。
【００２４】
また実験用基板３２を支持する基板支持体３８内に信号処理部４６を配置することにより実験用基板３２上に組み立てた実験用電子回路と信号源、測定装置とを近接配置でき、信号供給用端子４２ａ、４４ａや測定用端子４２ｂ、４４ｂを介して実験用電子回路と信号処理部４６との接続作業も容易となる。
【００２５】
また実験用基板３２を基板支持体３８に着脱可能とすることにより、実験用基板３２単体で実験用電子回路の組立てができ、組立て作業を繰り返すことにより実験用基板３２が損耗しても新しいものと交換することにより学習作業を継続できる。
【００２６】
また学習用電子回路を半田鏝を用いて半田付けにより組み立てることにより半田付け技能も高めることができる。
【００２７】
尚、本発明は上記実施態様にのみ限定されることなく、例えば、実験用基板３２は基板支持体３８の凹所３８ａに支持するだけでなく、表面にガイドピンを立設した基板支持体３８と周縁部に複数のガイド穴を形成した実験用基板３２を用い、ガイド穴をガイドピンに挿通して位置決めすることもできる。また実験用基板３２の一部にエッジコネクタを形成し、エッジコネクタを所定の導電ランド、例えば電源ランドや接地ランド、入出力端子などとなる導電ランドに予め接続し、このコネクタを所定の信号供給端子や測定用端子に接続してもよい。これにより実験用基板上の学習用電子回路の信号供給用あるいは測定用の要部と画像表示装置上に表示する信号供給源あるいは測定装置とを直接的に対応させることができる。また信号処理部４６内のマイクロプロセッサ６８によってプログラム処理して信号を発生させるだけでなく、プログラマブルファンクションジェネレータを付設しこのプログラマブルファンクションジェネレータをマイクロプロセッサ６８により制御して所望の波形、周期、振幅の信号を発生させることができる。さらには電源端子４０に供給される電圧は外部電源の電圧を直接出力してもよいし、外部電源と電源端子４０の間に電圧制御回路を挿入し、手動あるいは信号処理部４６により実験用電子回路が必要とする電圧に調整することができ、実験用電子回路の所要電流が微小の場合にはパーソナルコンピュータ５４から直接供給してもよい。
【００２８】
また表示装置５８に電子回路や電子部品の解説や学習用電子回路の組み立て順序などの説明を表示させることにより電子回路理論、組立技術、測定技術など総合的な学習効果を向上させることができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上のように、本発明装置は安価で交換可能な実験用基板と一般的に使用される電子部品とを利用でき、信号源、測定装置を信号処理部とパーソナルコンピュータによって実現できるため、導入費、維持費が少なくて済み、小規模な学校や企業、個人でも容易に導入でき、半田付け作業により組立てすることにより、半田付け技能も向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による電子回路学習装置を示す斜視図
【図２】図１装置に用いられる実験用基板の一例を示す平面図
【図３】信号処理部を示すブロック図
【図４】実験用電子回路の一例を示す回路図
【図５】画像表示装置に表示される表示画面の一例を示す平面図
【図６】基板支持体と学習用電子回路との間でデジタル信号を供給する接続治具の斜視図
【図７】本発明の他の実施形態での画像表示装置に表示される表示画面の一例を示す平面図
【図８】実験用基板の他の例を示す斜視図
【図９】従来の電子回路学習装置の一例を示す斜視図
【図１０】従来の電子回路学習装置の他の例を示す平面図
【符号の説明】
３２ 実験用基板
３４ 絶縁基板
３６ 導電ランド
４２、４４ 端子群
４６ 信号処理部
５４ パーソナルコンピュータ
５８ 表示装置

Claims (4)

1. 絶縁基板上に所定パターンの導電ランドを多数形成した実験用基板と、
   信号供給端子、測定用端子を含む端子群を有し、外部からの制御信号により所定の信号を発生して信号供給端子に供給するとともに測定用端子に供給された信号をデジタル化して出力する信号処理部と、
   前記信号処理部を制御して波形、周期、振幅が設定された所定の信号を発生させ、信号処理部から供給される出力信号を処理して表示装置上に表示させるパーソナルコンピュータとを備え、
   前記端子群から選択された端子を前記実験用基板上に構成した学習用電子回路の要部に接続し、学習用電子回路の要部の出力信号を表示装置に表示させるようにしたことを特徴とする電子回路学習装置。
2. 前記パーソナルコンピュータは電子回路シュミレーションソフトを内蔵し、前記実験用基板上の学習用電子回路と同じ仮想回路をパーソナルコンピュータ上に構成し、学習用電子回路に供給する信号を前記仮想回路に供給して、学習用電子回路と仮想回路のそれぞれの要部の出力信号を表示装置に表示させるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電子回路学習装置。
3. 前記実験用基板を着脱可能に支持する基板支持体内に信号処理部を配置したことを特徴とする請求項１に記載の電子回路学習装置。
4. 前記実験用基板を、可撓性を有する絶縁フィルム上に所定パターンの導電ランドを形成した配線フィルムを硬質基板上に貼着して構成したことを特徴とする請求項１に記載の電子回路学習装置。

Images