Виртуальные электронные лаборатории

Виртуальная информационно-образовательная лаборатория
Преподаватель ГБОУ СПО «Заинский
политехнический колледж»,
Романова Ирина Ивановна
Современные тенденции развития образовательной системы предполагают внедрение
компьютерных технологий в учебный процесс, стимулируют появление виртуального
обучения, виртуальных школ, которые способствуют формированию самостоятельной,
творчески развитой личности, активно участвующей во всех сферах жизни общества.
Особенно остро этот вопрос стоит в профессиональном образовании, где необходимо более
широкое внедрение уроков с использованием электронных учебных материалов.
В процессе изучения дисциплин «Информатика», «Вычислительная техника» в
Заинском политехническом колледже в качестве электронной лаборатории используется
программа Electronics Workbench. Программа имеет современный, ясный и занимательный
интерфейс, позволяет в значительной степени повысить наглядность изучаемого и
закрепляемого материала (рис.1). Несмотря на то, что интерфейс является англоязычным,
программа легка в усвоении даже для самых слабых студентов. Программа Electronics
Workbench позволяет изучать работу электронных устройств. Получение быстрого и
наглядного результата значительно активизирует деятельность студентов на занятиях,
повышает их интерес к данным дисциплинам и компьютерным технологиям.
В настоящее время в рамках учебной программы по дисциплинам «Информатика»,
«Вычислительная техника» разработаны восемь лабораторных работ с помощью программы
Electronics Workbench:
1) «Методы логического моделирования на ЭВМ»
2) «Исследование работы логических устройств ЭВМ»
3) «Исследование работы комбинационных цифровых устройств на ЭВМ»
4) «Исследование работы сумматоров на ЭВМ»
5) «Исследование работы шифраторов и дешифраторов на ЭВМ»
6) «Исследование работы триггеров на ЭВМ»
7) «Исследование работы регистров на ЭВМ»
8) «Исследование работы счетчиков на ЭВМ»
Основной целью этих работ является закрепление изученного на теоретических
занятиях материала по соответствующей теме. В процессе выполнения лабораторной работы
каждый студент собирает ту или иную электронную схему, содержащую цифровые
устройства, индикаторы, измерительные устройства. В интерактивном режиме
моделирования учащиеся изучают работу схемы, заполняют таблицы результатов работы в
различных режимах, рисуют диаграммы.
Изучение педагогической литературы по данной проблеме позволяет отметить, что
виртуальная информационно-образовательная лаборатория:
 используется как эффективный инструмент обучения, не заменяя при этом
преподавателя в учебном процессе, обеспечивая для обучаемого свободу
выбора темпа и траектории получения знаний с элементами самообучения и
самоконтроля;
 соединяет в себе достоинства хорошего учебника с возможностями
компьютера, что обеспечивается возможностью хранения больших объемов
информации, наглядностью, сочетанием текстовой, графической, ауди- и
видеоинформации.
С целью развития самостоятельной познавательной деятельности учащихся,
повышения качества их знаний и формирования практических навыков, особенно в
преподавании естественнонаучных дисциплин, усиливается роль лабораторных работ,
основанных на самостоятельном проведении экспериментов, опытов с использованием
приборов, инструментов и т.д. Лабораторные работы проводятся преимущественно в
процессе изложения нового материала. Систематическое выполнение лабораторных работ
развивает у учащихся способность мыслить, наблюдать, самостоятельно искать ответ на
поставленный вопрос экспериментальным путем.
К основным достоинствам выполнения лабораторных заданий в условиях
виртуальной лаборатории Electronics Workbench можно отнести:
 наглядную иллюстрацию;
 возможность самостоятельной сборки схем, расчета их параметров и
наблюдения за процессами, происходящими, например, в электрических цепях;
 экономию времени на обработку полученных результатов и закрепление
материала;
 обеспечение полной безопасности проводимых экспериментов;
 возможность индивидуального выполнения опытов, что не может не сказаться
на развитии самостоятельности учащихся, их конструкторских способностей и
технической смекалки;
 выполнение виртуальных лабораторных работ во время урока устраняет
временной барьер между теоретическими и практическими занятиями, что
способствует повышению эффективности и качества обучения, активизации
познавательной деятельности учащихся.
Таким образом, использование виртуальных лабораторий, способствующее развитию
самостоятельности учащихся, является неотъемлемой частью успеха в стратегии внедрения
электронного образовательного компьютерного продукта.
Лабораторная работа №1
Методы логического моделирования на ЭВМ
Цель работы: 1. Ознакомление работой электронной лабораторией Electronics
Workbench. 2. Научиться различать символы элементов, принятые для цифровой логики,
таких как И, ИЛИ, НЕ, ИЛИ-НЕ, И-НЕ. 3. Получение практических навыков в
проектировании комбинационных схем, реализующих логические функции нескольких
различных типов, которые заданы в стандартном виде. 4. Ознакомиться с принципом
реализации функции ИЛИ на элементах И-НЕ и функции И на элементах ИЛИ-НЕ.
Оборудование
Персональный компьютер. Программное обеспечение – электронная лаборатория
Electronics Workbench.
Содержание и порядок выполнения работы
1.
2.
3.
Ознакомиться с возможностями и интерфейсом окна программы Electronics
Workbench (см. методические указания к лабораторной работе).
Выполнить упражнения и задания данной лабораторной работы с помощью
виртуальной лаборатории Electronics Workbench и результаты исследований
занести в отчет (см. ход работы).
Выполнить тест. Перед выполнением теста повторите условные обозначения
логических элементов, применяемые в виртуальной лаборатории Electronics
Workbench.
Методические указания к выполнению лабораторного задания
Вспомним общепринятые обозначения логических элементов в логических схемах:
Примечание. В Electronics Workbench отрицание обозначается знаком апострофа
после соответствующей переменной или выражения в скобках.
Теперь ознакомимся работой электронной лаборатории Electronics Workbench. Для
построения логических схем в библиотеке этой программы Logic Gates (логические
элементы) предусмотрена возможность выбора следующих логических элементов (рис.1).
Соответствующая кнопочная панель показана на рис.2.
Рис. 1. Обозначение основных логических элементов в программе Electronics Workbench
Рис. 2. Панель инструментов «Logic Gates»
В электронной лаборатории Electronics Workbench также имеется виртуальное
устройство «Логический конвертор» (Logic Converter), позволяющее осуществлять шесть
видов логических преобразований для логических функций с числом переменных от 1 до 8:
получение таблицы истинности для схемы, собранной из логических элементов;
преобразование таблицы истинности в логическую формулу (СДНФ); минимизация СДНФ;
преобразование формулы в таблицу истинности; представление формулы в виде электронной
схемы в логическом базисе 2И-НЕ. Этот логический конвертор представляет собой один из
компонентов создаваемой схемы и выбирается из панели Instruments (рис.3; справа показан
вид размещаемого на схеме блока логического конвертора).
Рис. 3. Слева - панель инструментов «Instruments»; справа – логический конвертор
Приведем последовательность действий при исследовании логической схемы с
помощью логического конвертора (преобразователя).
1. Собираем в рабочем окне требуемую логическую схему. Добавляем в нее
логический конвертор (кнопка
).
2. Подключаем ее к логическому конвертору (используется 8 входов, 1 выход,
расположенный справа).
3. Открываем рабочее окно логического конвертора (рис.5) двойным щелчком левой
мыши на его блоке в схеме.
4. Для получения таблицы истинности нужно щелкнуть мышью на
кнопке
.
5. Для получения логической функции (структурной формулы) нужно щелкнуть
мышью на кнопке
.
Исследование работы элемента И средствами Electronics Workbench показано на
рис.5:
Рис. 5. Рабочее окно виртуальной лаборатории Electronics Workbench
Ход работы
Упражнение 1. С помощью инструментов виртуальной лаборатории проанализируйте
работу элементов И и ИЛИ (см. рис. 5). Результаты занесите в отчет: условное обозначение,
таблицы истинности и логическое выражение.
Упражнение 2.
Соберите схему элемента И-НЕ и получите таблицу истинности с помощью
логического конвертера. Результат занесите в отчет.
1.
Напишите логическое выражение для таблицы истинности элемента И-НЕ:
С=_________________. Как называется такая операция?
2.
Соберите новую схему, как показано на рис. 6 и заполните таблицу истинности
с помощью логического конвертера.
Рис. 6. Схема реализации элемента И в базисе И-НЕ
3.
Напишите логическое выражение для таблицы истинности элемента на рис. 6:
С=_________________.
Обсуждение результатов
Обратите внимание, что, хотя схема построена на элементах И-НЕ, в результате получается функция И.
Действительно, выходной сигнал элемента И-НЕ инвертируется, «НЕ» отбрасывается, и в итоге выходной
сигнал схемы на рис. 6 представляет собой функцию логического И. Инвертирование было реализовано путем
объединения входов второго элемента И-НЕ. Продемонстрированную в этом упражнении функцию можно
изобразить одним из трех способов, показанных на рис. 7, которые эквивалентны между собой.
Рис. 7. Способы реализации элемента И
Упражнение 3.
1.
Соберите схемы показанные на рис. 8 (а и б).
2.
Заполните таблицу истинности (рис 8, а и б )каждой из упомянутых схем.
а)
б)
Рис. 8. Схемы реализации элемента НЕ
Обсуждение результатов
Как видно из таблицы истинности в качестве инвертора также может быть использован элемент ИЛИНЕ. Действительно, функция, представленная таблицей истинности инвертора на рис. 8, б эквивалентна
логической функции, выполняемой элементом ИЛИ-НЕ. При проектировании цифровых устройств на
интегральных схемах принято в случае необходимости использовать свободные вентили И-НЕ или ИЛИ-НЕ
в качестве инверторов. Такая необходимость возникает, когда требующееся проектировщику количество
инверторов превышает имеющееся на интегральной схеме.
Упражнение 4.
1. Соберите схему работы элемента ИЛИ-НЕ и заполните таблицу истинности.
2. Напишите логическое выражение для таблицы истинности элемента ИЛИ-НЕ:
С=_________________. Как называется такая операция?
3. Соберите новую схему, как показано на рис. 9 и заполните таблицу истинности с
помощью логического конвертера.
Рис. 9. Схема реализации элемента ИЛИ в базисе ИЛИ-НЕ
4. Напишите логическое выражение для таблицы истинности элемента на рис. 9:
С=_________________.
Обсуждение результатов
Как видно из только что выполненного упражнения, при инвертировании выходного сигнала элемента
ИЛИ-НЕ в результате получается функция, эквивалентная выполняемой элемента ИЛИ. В данном случае
элемент ИЛИ-НЕ играет роль инвертора, полученного объединением двух входов. Этот способ аналогичен
примененному в упражнении с элемента И-НЕ, который показан на рис. 6. Полученная логическая функция
может быть изображена с помощью одной из трех эквивалентных схем, приведенных на рис. 10.
Рис. 10. Способы реализации элемента И
Упражнение 5.
1. Соберите схему показанную на рис. 11
и заполните таблицу истинности. Запишите
логическое выражение для данной схемы.
Рис. 11. Схема реализации элемента ИЛИ
в базисе И-НЕ
2. Соберите схему показанную на рис.
12 и заполните таблицу истинности. Запишите
логическое выражение для данной схемы.
Рис. 12. Схема реализации элемента ИЛИ
в базисе И-НЕ
Обсуждение результатов
Как видно из рис. 11 и 12, функции И и ИЛИ могут быть получены инвертированием входных
сигналов. Так, на рис. 13 показан способ реализации функции ИЛИ на элементах И-НЕ. Очевидно, что при
инвертировании сигналов на входах элемента И-НЕ в результате на выходе получится функция ИЛИ.
Аналогичный способ реализации функции И с помощью элементов ИЛИ-НЕ приведен на рис. 14. И снова
видно, что инвертирование входов элемента ИЛИ-НЕ дает на выходе функцию И. Хотя функции И и ИЛИ
часто встречаются при описании функционирования управляющих устройств, не посредственно реализующие
их элементы И и ИЛИ не получили широкого распространения в связи с тем, что инверсные по отношению к
ним элементы И-НЕ и ИЛИ-НЕ проще в реализации и удобнее в работе.
Рис. 13. Способы реализации элемента ИЛИ
Поскольку не важно, каким именно способом получать необходимую логическую функцию,
часто на практике оказывается полезным реализовать функции И и ИЛИ с помощью
вентилей И-НЕ и ИЛИ-НЕ.
Рис. 14. Способы реализации элемента И
Задания
Задание 1
1. Соберите схему показанную на рис. 15 и заполните таблицу истинности рис. 16.
Запишите логическое выражение для данной схемы D=________________.
А
0
0
0
0
1
1
1
1
Рис. 15. Схема к заданию 1.1
В
0
0
1
1
0
0
1
1
С
0
1
0
1
0
1
0
1
D
Рис. 16. Таблица истинности для схемы
на рис.15
2. Соберите аналогичную схему (см. рис. 15) собранную на элементах И-НЕ и
заполните таблицу истинности. Запишите логическое выражение для данной схемы
D=____________________.
Задание 2.
Для каждого из приведенных ниже выражений спроектируйте и нарисуйте
реализующую его логическую схему, используя для этого вентили И-НЕ, ИЛИ-НЕ и
инверторы.
а) А + ВС = D; б) АВ + CD = Е; в) АВ + С = D.
Проверочный тест
Выберите ответ, кажущийся вам наиболее правильным среди перечисленных.
1. Символ, используемый для обозначения логической функции, выполняемой
элементом И, выглядит следующим образом:
2. Какой ответ представляет корректное булево выражение для этой схемы и таблицы
истинности?
a.
А В  С
b.
А В  С
c.
А В  С
d
А В  С
e.
А В  С
3. Какая из приведенных схем не является инвертором:
4. Инвертирование входов элемента И-НЕ изменяет его функцию на функцию:
а)
элемента И,
b)
элемента ИЛИ,
c)
проинвертированного элемента И.
d)
элемента ИЛИ-НЕ,
e)
элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ.
5.
а)
б)
c)
Инвертирование входов элемента ИЛИ-НЕ изменяет его функцию на функцию:
элемента И,
элемента ИЛИ,
элемента ИЛИ-НЕ,
d)
e)
проинвертированного элемента И,
элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ.
6.
Какое из перечисленных ниже выражений является
представлением следующего выражения: НЕ А, ИЛИ НЕ В, И С РАВНО D?
a) АВ  С  D ,
b) А  В  С  D ,
c) АВС  D ,
d) А  ВС  D ,
е) А  ВС  D .
7.
правильным
Какой из приведенных символов используется для обозначения элемента ИЛИ-
НЕ?
8.
Нарисуйте схему, реализующую следующее логическое выражение: A + BC =
D. Используйте лишь элементы ИЛИ-НЕ или И-НЕ и обозначьте все входы и выходы.
9.
Заполните таблицу истинности для следующего логического элемента:
10.
Заполните таблицу истинности для следующего логического элемента: