RU2214628C2

RU2214628C2 - Facility for teaching digital electronics fundamentals

Info

Publication number: RU2214628C2
Application number: RU2001124618A
Authority: RU
Inventors: Ю.С. Ройтбург; С.Н. Цецулин
Original assignee: Государственное унитарное научное конструкторско-технологическое предприятие "Парсек" при ТолПИ; Ройтбург Юрий Семенович; Цецулин Сергей Николаевич
Priority date: 2001-09-05
Filing date: 2001-09-05
Publication date: 2003-10-20

Abstract

FIELD: training devices for acquiring skill in handling digital electric circuits. SUBSTANCE: facility has power supply connected to patch-board with flip-flop unit, logic gates unit, and diode splitters unit connected to its jacks; decoder that functions to convert binary code into position one; controlled switches; switch control unit; job version code controller; character-synthesizing display control coder; and display unit. Proposed facility provides for learning both simple logic elements and complex integrated circuits. EFFECT: simplified design, enhanced reliability of circuits formed. 1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области обучающих устройств и может быть использовано для получения практических навыков работы с цифровыми электрическими схемами. The invention relates to the field of training devices and can be used to obtain practical skills in working with digital electrical circuits.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство для обучения основам вычислительной техники (патент РФ 2011230, G 09 В 23/18), содержащее источник питания, блок управления, наборное поле, к гнездам которого подключены блок триггеров и блок логических элементов, узел индикации. The closest technical solution, selected as a prototype, is a device for teaching the basics of computer technology (RF patent 2011230, G 09 V 23/18), containing a power source, a control unit, a typesetting field, to the sockets of which are connected a block of triggers and a block of logic elements indication unit.

Недостатками данного прототипа являются высокая сложность сборок изучаемых устройств и, как следствие, высокая степень ошибок при сборке, затруднения в изучении стандартных технических решений, имеющих регулярную внутреннюю структуру, таких как дешифратор, шифратор, мультиплексор и т.д. The disadvantages of this prototype are the high complexity of the assemblies of the devices under study and, as a result, the high degree of errors in the assembly, difficulties in studying standard technical solutions having a regular internal structure, such as a decoder, encoder, multiplexer, etc.

Задача, решаемая изобретением, - упрощение устройства при повышении надежности формируемых схем. The problem solved by the invention is to simplify the device while increasing the reliability of the generated circuits.

Указанная задача выполняется за счет того, что в стенд для изучения основ цифровой электроники, содержащий источник питания, блок управления, наборное поле, к гнездам которого подключены блок триггеров и блок логических элементов, узел индикации, дополнительно введены блок диодных разветвителей, подключенный к гнездам наборного поля, дешифратор, преобразующий двоичный код в позиционный, вход которого присоединен к выходу блока триггеров, первый управляемый коммутатор, первый вход которого подключен к выходу дешифратора, а выход - к входу узла индикации, шифратор управления знакосинтезирующим индикатором, вход которого подключен к входу первого управляемого коммутатора, второй управляемый коммутатор, первый вход которого подключен к выходу шифратора, а выход - к знакосинтезирующему индикатору, задатчик кодов вариантов заданий, выход которого подключен к одному из входов блока управления коммутаторами, к другому входу которого подключен блок триггеров, выходы блока управления коммутаторами присоединены к управляющим входам обоих коммутаторов, а выходы наборного поля напрямую соединены с узлом индикации и знакосинтезирующим индикатором. This task is carried out due to the fact that in the stand for studying the basics of digital electronics, containing a power source, a control unit, a dial field, to the sockets of which are connected a block of triggers and a block of logic elements, an indication unit, an additional block of diode splitters connected to the jacks of a dial-up field, a decoder that converts binary to positional, whose input is connected to the output of the trigger block, the first managed switch, the first input of which is connected to the decoder output, and the output to the input the indication node, the control encoder of the sign-synthesizing indicator, the input of which is connected to the input of the first managed switch, the second managed switch, the first input of which is connected to the encoder output, and the output to the sign-synthesizing indicator, the job option code generator, the output of which is connected to one of the control unit inputs switches, to the other input of which a trigger block is connected, the outputs of the control unit of the switches are connected to the control inputs of both switches, and the outputs of the type-setting field directly connected to the display unit and sign-synthesizing indicator.

Предложенное техническое решение имеет следующие отличительные от прототипа признаки. The proposed solution has the following distinctive features from the prototype.

Для изучения работы шифратора и дешифратора введены два управляемых коммутатора с блоком их управления и задатчик кодов вариантов заданий. С помощью этих блоков из сложной схемы исключаются ее отдельные части, которые обучаемый должен найти как неисправность устройства и устранить ее на наборном поле, включив недостающие элементы схемы. Это позволяет изучать работу сложных схем с ограниченным количеством элементов и коммутаций на наборном поле. In order to study the operation of the encoder and the decoder, two managed switches with their control unit and a task code generator have been introduced. With the help of these blocks, its individual parts are excluded from the complex circuit, which the trainee must find as a device malfunction and eliminate it in the typesetting field by including the missing circuit elements. This allows you to study the operation of complex circuits with a limited number of elements and switching in a typesetting field.

Знакосинтезирующий индикатор служит для отображения состояния шифратора, позволяет обучаемому визуально наблюдать правильность восстановленной внутренней структуры цифровых устройств. The sign-synthesizing indicator serves to display the state of the encoder, allows the learner to visually observe the correctness of the restored internal structure of digital devices.

Прямое подключение наборного поля к узлу индикации и знакосинтезирующему индикатору позволяет отображать состояние различных типовых цифровых устройств, собираемых на наборном поле. Direct connection of the dialed field to the display unit and sign-synthesizing indicator allows you to display the status of various typical digital devices assembled on the dialer.

Блок триггеров, блок логических элементов и блок диодных разветвителей предназначены для сборки и изучения как отдельных логических элементов, так и частей сложных цифровых схем. The block of triggers, the block of logic elements and the block of diode splitters are designed to assemble and study both individual logic elements and parts of complex digital circuits.

Подключение дешифратора и шифратора к первому и второму управляемым коммутаторам служит для исключения индикации определенных состояний триггерных схем и, соответственно, ряда возможных входных логических комбинаций из шифратора и дешифратора. The connection of the decoder and encoder to the first and second managed switches serves to exclude the indication of certain states of trigger circuits and, accordingly, a number of possible input logical combinations from the encoder and decoder.

Предложенное техническое решение позволяет изучать при ограниченном наборе электрических элементов большее количество электрических схем, их отдельных фрагментов. Стенд для изучения основ цифровой электроники представляет собой многофункциональный демонстрационный и учебно-исследовательский комплекс, обеспечивает получение знаний и умений по множеству индивидуальных образовательных траекторий При изучении сложных логических схем, имеющих регулярную внутреннюю структуру на наборном поле, не требуется большое количество логических элементов для воссоздания всей структуры, так как стенд позволяет изучать и собирать ее по отдельным недостающим частям. Таким образом, предложенное техническое решение обеспечивает упрощение схем коммутации и, соответственно, устройства в целом при повышении надежности формируемых схем. The proposed technical solution allows to study with a limited set of electrical elements a larger number of electrical circuits, their individual fragments. The stand for studying the basics of digital electronics is a multifunctional demonstration and educational research complex that provides knowledge and skills for many individual educational trajectories. When studying complex logic circuits with a regular internal structure on a typesetting field, a large number of logical elements are not required to recreate the entire structure , since the stand allows you to study and assemble it in separate missing parts. Thus, the proposed technical solution provides a simplification of switching schemes and, accordingly, the device as a whole while increasing the reliability of the generated circuits.

Приведенная совокупность признаков, характеризующих заявленный объект, обуславливает достижение такого технического результата, который обеспечивает решение задачи изобретения. The above set of features characterizing the claimed object determines the achievement of such a technical result, which provides a solution to the problem of the invention.

Анализ уровня техники показывает, что не известен стенд, которому присущи признаки, идентичные всем существенным признакам данного изобретения. Это свидетельствует о новизне предложенного технического решения. The analysis of the prior art shows that there is no known stand, which is inherent in the features identical to all the essential features of this invention. This indicates the novelty of the proposed technical solution.

Предложенное техническое решение применимо, работоспособно, осуществимо и воспроизводимо, т.к. может быть изготовлено в условиях серийного и единичного производства с применением различных, выпускаемых серийно, комплектующих, а следовательно, соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость",
На фиг.1 изображена структура учебного стенда, на фиг.2 - пример сборки на наборном поле двоичного четырехразрядного асинхронного счетчика.The proposed technical solution is applicable, workable, feasible and reproducible, because can be manufactured under conditions of serial and single production using various commercially available components, and therefore meets the patentability condition "industrial applicability",
Figure 1 shows the structure of the training stand, figure 2 is an example of assembly on a typesetting field of a binary four-digit asynchronous counter.

Стенд для изучения основ цифровой электроники содержит блок управления 1, подключенный к наборному полю 2, к контактным гнездам которого подключены блок 3 триггеров, блок 4 диодных разветвителей и блок 5 логических элементов. Блок 3 триггеров соединен с входом дешифратора 6, преобразующего двоичный код в позиционный, и с одним из входов блока 7 управления коммутаторами, выходы которого подключены к управляющим входам первого 8 и второго 9 управляемых коммутаторов, а другой вход блока 7 - к выходу задатчика 10 кодов вариантов заданий. Первые входы первого 8 и второго 9 управляемых коммутаторов подключены соответственно к выходам дешифратора 6 и шифратора 11 управления знакосинтезирующим индикатором 13, а вход последнего подключен к выходу дешифратора 6. Выход первого управляемого коммутатора 8 подключен к входу узла индикации 12, а выход второго управляемого коммутатора 9 - к входу знакосинтезирующего индикатора 13, к которым напрямую подключено наборное поле 2. The stand for studying the basics of digital electronics contains a control unit 1 connected to a set-up field 2, to the contact sockets of which are connected a block of 3 triggers, a block of 4 diode splitters and a block of 5 logic elements. Block 3 of the triggers is connected to the input of the decoder 6, which converts the binary code to positional, and to one of the inputs of the switch control unit 7, the outputs of which are connected to the control inputs of the first 8 and second 9 managed switches, and the other input of block 7 to the output of the code setter 10 job options. The first inputs of the first 8 and second 9 managed switches are connected respectively to the outputs of the decoder 6 and the control encoder 11 of the sign-synthesizing indicator 13, and the input of the latter is connected to the output of the decoder 6. The output of the first managed switch 8 is connected to the input of the indication node 12, and the output of the second managed switch 9 - to the input of the sign-synthesizing indicator 13, to which the composing field 2 is directly connected.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

При изучении работы логических элементов обучаемый задает с помощью блока управления 1 входные воздействия (0, 1) на изучаемый логический элемент блока 5, который подключается к узлу индикации 12 для визуального отображения состояния. В данном случае узел индикации 12 отключен от дешифратора 6 и напрямую используется для отображения состояний логических элементов блока 5. Таким же образом изучается работа триггерных схем различной структуры. When studying the operation of logical elements, the student sets, using the control unit 1, input influences (0, 1) on the studied logical element of block 5, which is connected to the display unit 12 to visually display the state. In this case, the indicating unit 12 is disconnected from the decoder 6 and is directly used to display the states of the logic elements of block 5. The operation of trigger circuits of various structures is studied in the same way.

При изучении работы счетчиков и регистров обучаемый по методическому заданию собирает на наборном поле 2 с использованием блока 3 и блока 4 различные варианты счетчиков и регистров, входные состояния которых задаются блоком управления 1, а состояния входов и выходов собранной схемы отображаются на узле индикации 12 или знакосинтезирующем индикаторе 13. Например, обучаемый по методическому заданию собирает двоичный четырехразрядный асинхронный счетчик (фиг.2). На клавиатуре блока управления 1 обучаемый кнопкой 1 устанавливает собранный счетчик в исходное состояние. Затем кнопкой 0 клавиатуры задаются тактовые импульсы собранного счетчика, нажатие которой индицируется на индикаторе 0 узла индикации 12. Выходные состояния счетчика отображаются индикаторами 1-4 узла индикации 12. Каждый из диодных разветвителей блока 4 предназначен для мультиплексирования сигналов и представляет из себя набор полупроводниковых диодов, соединенных по входу. Этот блок позволяет сформировать на знакосинтезирующем индикаторе 13 (семисегментном) изображение цифры, соответствующей номеру выхода дешифратора 6 или регистра. Например, сигналом с выхода "2" (см. фиг.2) дешифратора 6 необходимо включить пять сегментов индикатора 13. Для этого используются пять диодов блока 4 диодных разветвителей, выходы которых присоединяются к выбранным сегментам индикатора 13 (фиг.2). When studying the operation of counters and registers, the student collects on the typesetting field 2 using block 3 and block 4 various variants of counters and registers, the input states of which are set by control unit 1, and the states of the inputs and outputs of the assembled circuit are displayed on indication node 12 or character-synthesizing indicator 13. For example, a student on a methodological task collects a binary four-digit asynchronous counter (figure 2). On the keyboard of the control unit 1, the learner with button 1 sets the assembled counter to its original state. Then, with the keypad button 0, the clock pulses of the assembled counter are set, the pressing of which is indicated on the indicator 0 of the display unit 12. The output states of the counter are displayed by the indicators 1-4 of the display unit 12. Each of the diode couplers of unit 4 is designed for signal multiplexing and is a set of semiconductor diodes, connected by input. This block allows you to form on the sign-synthesizing indicator 13 (seven-segment) image of the digit corresponding to the output number of the decoder 6 or register. For example, the signal from the output "2" (see figure 2) of the decoder 6 must include five segments of the indicator 13. For this, five diodes of the block 4 of the diode couplers are used, the outputs of which are connected to the selected segments of the indicator 13 (figure 2).

При изучении работы дешифратора 6 используются блок 7 управления коммутаторами, первый 8 и второй 9 коммутаторы, дешифратор 6 и шифратор 11. Блок 7 состоит из схемы сравнения позиционных кодов, поступающих с задатчика 10 и блока 3 триггеров. При совпадении кодов выдается запрет прохождения через первый 8 и второй 9 коммутаторы сигналов с дешифратора 6 и шифратора 11 на индикаторы 12 и 13. В результате при переборе состояний схемы, сформированной на триггерах блока 3, под управлением первого коммутатора 8 узел индикации 12 не отображает выделенные задатчиком 10 состояния. Обучаемый при помощи логических элементов блока 5, например четырехвходовых логических схем "И" (фиг.2), должен восстановить работу дешифратора 6. При правильной сборке на узле индикации 12 отображаются исключенные задатчиком 10 состояния. Например, с помощью первого 8 и второго 9 управляемых коммутаторов, исключен код 0101 (0101₂=5₁₀). На пятом выходе дешифратора 6 - "0" при наличии кода 0101 на блоке 3 триггеров. К этому блоку обучаемый должен подключить схему "И" к выходам: 1 - первого триггера; 0 - второго триггера; 1 - третьего триггера; 0 - четвертого триггера. При этом на выходе примененной схемы "И" - устанавливается "1", которая подается на вход "5" узла индикации 12.When studying the operation of the decoder 6, the switch control unit 7, the first 8 and the second 9 switches, the decoder 6 and the encoder 11 are used. Block 7 consists of a circuit for comparing position codes received from the setter 10 and trigger block 3. When the codes match, a ban is issued for passing signals from the decoder 6 and the encoder 11 to the indicators 12 and 13 through the first 8 and second 9 switches. As a result, when enumerating the states of the circuit generated on the triggers of block 3 under the control of the first switch 8, the indication node 12 does not display the highlighted setter 10 state. Trained with the help of logic elements of block 5, for example, four-input logic circuits “I” (FIG. 2), must restore the operation of decoder 6. When correctly assembled, the states excluded by the setpoint 10 are displayed on the display unit 12. For example, using the first 8 and second 9 managed switches, the code 0101 (0101 ₂ = 5 ₁₀ ) is excluded. At the fifth output of the decoder 6 - "0" in the presence of code 0101 on block 3 triggers. To this block, the student must connect the "AND" circuit to the outputs: 1 - the first trigger; 0 - second trigger; 1 - third trigger; 0 - fourth trigger. At the same time, at the output of the applied circuit "And" - "1" is set, which is fed to the input "5" of the display unit 12.

При изучении работы шифратора 11, с помощью задатчика 10 и блока 7, также, как и в случае с дешифратором 6, исключаются линии связи шифратора 11 с знакосинтезирующим индикатором 13. Обучаемый восстанавливает исключенные задатчиком 10 состояния шифратора 11 с помощью блока 4 диодных разветвителей, которые при правильной сборке отображаются на знакосинтезирующем индикаторе 13. Таким образом, объем соединений на наборном поле 2 сокращается, сборка схем значительно упрощается и ускоряется. Облегчается их проверка, повышается дидактическая эффективность стенда. When studying the operation of the encoder 11, using the setter 10 and block 7, as well as in the case of the decoder 6, communication lines of the encoder 11 with the sign-synthesizing indicator 13 are excluded. The learner restores the encoder 11 states excluded by the setter 10 using the block 4 of diode splitters, which when correctly assembled, they are displayed on the sign-synthesizing indicator 13. Thus, the volume of connections on the set-up field 2 is reduced, the assembly of circuits is greatly simplified and accelerated. Their verification is facilitated, the didactic effectiveness of the stand is increased.

Используя блоки 3, 4 и 5, на наборном поле 2 можно собирать различные цифровые схемы, имеющие как учебный, так и развлекательный характер, например "бегущие огни", "кодовый замок" и т.д. Using blocks 3, 4, and 5, one can collect various digital circuits on the typesetting field 2, having both educational and entertaining character, for example, “running lights”, “code lock”, etc.

Claims

A stand for studying the basics of digital electronics, containing a control unit connected to a typesetting field, to the sockets of which are connected a trigger block and a block of logic elements, an indication unit, characterized in that the unit includes diode couplers connected to the typesetting field sockets, a decoder, converting binary code to positional, the input of which is connected to the output of the trigger block, the first managed switch, the first input of which is connected to the output of the decoder, and the output to the input of the display unit, the encoder control panel with a sign-synthesizing indicator, the input of which is connected to the first input of the first managed switch, the second managed switch, the first input of which is connected to the encoder output, and the output - to the sign-synthesizing indicator, the job option code generator, the output of which is connected to one of the inputs of the switch control unit, to to the other input of which the trigger block is connected, the outputs of the switch control unit are connected to the control inputs of both switches, and the outputs of the typesetting field are directly connected with display unit and sign-synthesizing indicator.