Vysoké učení technické v Brně

Fakulta elektrotechniky a informatiky

Ústav telekomunikací

Ústav mikroelektroniky

Fond rozvoje vysokých škol 2000

INOVACE A PODPORA VÝUKY ELEKTRONICKÝCH FUNKČNÍCH BLOKŮ

Závěrečná zpráva o řešení grantového projektu Fondu rozvoje VŠ č. 1624, t.o. F

Brno, prosinec 2000

Obsah

1 ÚVOD

Základní údaje o projektu

Cíle projektu  

2 Způsob řešení projektu  

Inovace obsahů předmětů 

Změna stylu laboratorní a počítačové výuky     

Zabezpečení obsahu praktické výuky    

Zabezpečení výuky učebními fondy a pomůckami     

Zabezpečení výuky přístrojovou a výpočetní technikou a elektromateriálem  

Zabezpečení výuky legálním programovým vybavením  

Zabezpečení tvorby praktických výstupů  

3 PREZENTACE VÝSLEDKŮ

4 HOSPODAŘENÍ S PŘIDĚLENÝMI PROSTŘEDKY

5 ZÁVĚR

Literatura  

Přílohy

Příloha 1: Inovace sylabů kurzů.

Příloha 2: Obsah monografie pro podporu kurzu „Vzájemný převod analogových a číslicových signálů“.

Příloha 3: Přehled dosud vyvinutých a realizovaných modulárních přípravků.

Příloha 4: Nově vytvořené úlohy pro samostatnou práci studentů v experimentální laboratoři

Příloha 5: Přehled ročníkových a diplomových prací souvisejících s řešeným projektem

1   ÚVOD

Mnohokrát opakovaným požadavkem směřovaným z technické praxe na vysoké školy je schopnost elektrotechnického inženýra řešit praktické problémy s přístrojovou a součástkovou základnou, kterou má k dispozici. Proto hledání správných proporcí a vazeb mezi teoretickou a praktickou výukou je aktuálním problémem dneška. Práce studentů v experimentálních a výpočetních laboratořích dnes představuje důležitou součást výuky řady elektrotechnických předmětů. Jednak ve studentech pěstuje základní praktické návyky a dovednosti, které jsou v praxi neméně důležité než teoretické znalosti, jednak usnadňuje pochopení teorie z jiného úhlu než jaký může poskytnout přednášející. Kromě toho vhodně vedenou praktickou výukou získávají studenti konkrétní znalosti o soudobých elektronických součástkách na trhu a o měřicím a přístrojovém parku, o způsobu práce s nimi v typických aplikacích. Takováto výuka je pak pro studenty atraktivní a zpětně je motivuje k studiu teorie. Ukazuje se, že klasické dělení forem výuky elektrotechnických předmětů na přednášky, numerická a laboratorní cvičení nemusí být pro výuku výše popsaného typu optimální. Například v průběhu posledních 4-5 let se objevil nový fenomén počítačových cvičení. Dnes se objevují tendence sdružování numerických, laboratorních a počítačových cvičení do univerzálnější ”hybridní” formy výuky v experimentálních laboratořích.

Výše uvedených výhod nových forem výuky se však na našich vysokých školách všeobecně plně nevyužívá. Základní příčiny jsou dvě – koncepční a materiální. Z minulosti přetrvává ”teoretická” orientace výuky elektrotechnických předmětů. S přílivem relativně levné výpočetní techniky do školství se na elektrotechnických fakultách přesouvá část výuky do počítačových učeben s tendencí nahrazovat reálná měření počítačovou simulací. Roste počet diplomových prací orientovaných na programování a počítačovou simulaci a současně klesá podíl praktických realizací, experimentální práce a reálných měření.

Mezi hlavní důvody tohoto stavu se často uvádí značná materiální náročnost zabezpečení reálných experimentů. Jako příklad je možno srovnat dnešní cenu relativně výkonného osobního počítače (30.000 Kč) a obvodového analyzátoru pro měření kmitočtových charakteristik (900.000 Kč). 

Neméně závažným důvodem je však skutečnost, že zakomponování popisovaných praktických forem výuky do stávajícího výukového systému je složitý pedagogický problém. Jeho důsledné řešení v podstatě znamená nutné změny v učebních programech a modernizaci obsahu několika provázaných předmětů. K tomu je třeba připočíst budování vhodných učebních fondů a koncepční i materiální přestavbu experimentálních forem výuky, a dále domyslet, jak tuto aktivizaci lidských a materiálních zdrojů efektivně zužitkovat i mimo rámec výuky modernizovaných předmětů.

V minulých letech vedly snahy navrhovatelů tohoto projektu o výuku praktických aspektů moderní elektrotechniky k vybudování tří vzájemně provázaných kurzů II. stupně studijního oboru Elektronika a sdělovací technika: 

Konstrukce elektronických zařízení, 1. ročník II. stupně. Zajišťuje Ústav telekomunikací.

Analogová technika, 2. ročník II. stupně. Zajišťuje Ústav telekomunikací.

Vzájemný převod A/D signálů, 3. ročník II. stupně. Zajišťuje Ústav mikroelektroniky.

Na tyto kurzy navazuje kurz

Teorie sdělování a přenosu dat

a kurz doktorandského studia

Techniky A/D a D/A převodu.

Postupným absolvováním těchto kurzů získává student detailní přehled o moderních aplikacích současných analogových i číslicových integrovaných obvodů a součástek a o praktických aspektech činnosti, návrhu, konstruování a realizace. Kurs ”Konstrukce elektronických zařízení” v průměru ročně absolvuje 145 studentů. Další dva kurzy každoročně absolvuje asi 30-35 studentů. Nástavbový doktorandský kurz studuje každoročně cca 15 studentů.

Tento projekt se stal součástí úkolu budování nové koncepce výuky těchto předmětů a jejího materiálního zabezpečení s důrazem na rostoucí úlohu experimentální práce studentů. Řešitelé se zaměřili zejména na první dva kurzy, které se zabývají analogovými obvody a systémy. Navazující kurzy z problematiky AD a DA převodu a Teorie sdělování jsou inovovány odděleně mimo rámec tohoto projektu. Pro ilustraci je v Příloze 2 uveden obsah monografie, která vyjde v r. 2001 a která bude v této inovaci hrát důležitou úlohu.

Základní údaje o projektu

Na řešení projektu se také podíleli další pracovníci ústavu telekomunikací, zejména hospodářka ústavu paní Magda Lounková a technik pan Procházka. Do dílčích prací na projektu se formou dohod o provedení práce zapojili pracovníci kooperujícího pracoviště z VA Brno a někteří studenti a diplomanti v rámci řešení svých semestrálních projektů a diplomových prací. 

Cíle projektu

Hlavním cílem řešení bylo vybudování nové koncepce výuky tří elektrotechnických předmětů II. stupně studia oboru EST a návazného doktorandského kurzu. Vedlejším cílem byl rozvoj experimentálních forem vědecké práce na fakultě, které by pak měly pozitivní zpětný vliv na výuku v dalších předmětech. Konkrétně tyto cíle znamenaly práci na následujících úkolech:

Inovace obsahů výše uvedených předmětů tak, aby se mohly optimálně rozvíjet praktické formy výuky. 

Změna stylu laboratorní a počítačové výuky. Přesměrování výuky z počítačové učebny a z klasické laboratoře do učebny pro experimentální práci, která umožní vyváženou kombinaci laboratorních a simulačních experimentů podle praktické potřeby.

Zabezpečení obsahu praktické výuky. Tvorba scénářů praktické výuky v návaznosti na plán přednášek.

Zabezpečení výuky učebními fondy a pomůckami. Řešení otázky výukových fondů vzhledem k neustálému vývoji technologií, součástkové i aplikační základny.

Podpora výuky přístrojovou a výpočetní technikou a elektromateriálem. Hledání kompromisního řešení vzhledem k rychlému zastarávání techniky i součástkové základny.

Zabezpečení výuky legálním programovým vybavením. Snaha o sjednocení v používání obvodových simulátorů, systémů pro návrh plošných spojů a dalších komponentů elektrotechnického CADu.

Zabezpečení tvorby praktických výstupů. Studenti musí mít možnost dotažení experimentu až k tvorbě funkčního zařízení.

2 Způsob řešení projektu

Inovace obsahů předmětů. 

V Příloze 1 jsou uvedeny sylaby inovovaných předmětů. Inovace jsou zvýrazněny tučným písmem. Promítají se do nich především poslední novinky v obvodových koncepcích a součástkové základně (trendy ve vývoji operačních zesilovačů, proudových konvejorů, rychlých komparátorů, multiplexerů, spínačů, univerzálních analogových funkčních bloků, převodníků AD a DA, analogově-číslicových obvodů atd.) a aplikační doporučení výrobců. Cenným informačním zdrojem je soustavná vědecká práce řešitelů v sledovaných oborech (řešení projektů, účasti na vědeckých konferencích, odborná literatura, zahraniční spolupráce). Velkou roli zde sehrál i kontakt s předními dodavateli elektronických součástek, jakož i informační zdroje na Internetu.

V předmětu Analogová technika jsme provedli přerozdělení plánu přednášek a cvičení ve prospěch praktické výuky v inovované laboratoři.

Změna stylu laboratorní a počítačové výuky.  

Jedním z hmatatelných výsledků řešení projektu je přebudování laboratoře č. 329 na Ústavu telekomunikací na laboratoř pro podporu experimentální práce studentů. Laboratoř umožňuje souběžnou práci na 6-8 individuálních projektech studentů a je využívána k výuce, která sdružuje dosavadní numerická, počítačová a laboratorní cvičení v jedinou výukovou formu, které říkáme „praktická výuka“. Úkolem laboratoře je plně pokrýt praktickou výuku v předmětech Analogová technika a Konstrukce elektronických zařízení s možností pozdějšího rozšíření i na další předměty. Praktická výuka je podporována běžnými měřicími přístroji spolu s výpočetní technikou, která je jednak součástí měřicího řetězce, jednak může sloužit spolu s periferními zařízeními i k dalšímu zpracování měřených dat, k usnadňování tohoto zpracování a k dokumentaci výsledků měření. U některých úloh probíhá počítačová simulace probíhající paralelně s vlastním reálným měřením.

Zvláštní pozornost byla věnována měřicím přípravkům a jejich napojení na běžné měřicí přístroje. Protože je laboratoř určena pro experimentální práce různé povahy, používáme přípravky pěti různých typů:

1.  Stávající klasické přípravky, které byly vyrobeny a používány na katedře ještě před vznikem laboratoře.

2.  Skutečné relativně složité elektrické systémy (např. funkční generátor), na nichž studenti provádějí měření v určitých vybraných bodech.

3.  Pracovní desky, na nichž si studenti pomocí pájky sami sestavují jednoduché měřené objekty.

4. Nepájivá kontaktní pole pro rychlá ověřování obvodů navržených v numerických cvičeních.

5. Modulární laboratorní přípravky, vyvíjené v rámci řešení projektu studenty formou semestrálních projektů. 

6. Napojení měřicího pracoviště na počítač s cílem automatizace rutinních a časově náročných úkonů.

Součástí praktické výuky je i počítačová simulace vybraných obvodů, v první fázi navržených na numerických cvičeních, a konfrontace výsledků simulací s reálnými měřeními. K simulaci využíváme zakoupené programy MicroCap VI a NAP a částečně také Matlab.

Práce na projektu umožnila především rozvoj praktické výuky popsaný v bodech 3, 4 a 5. Na každé experimentální pracoviště byly pro studenty zakoupeny moderní horkovzdušné pájky a nepájivá kontaktní pole. V dílnách ústavu byly vyrobeny univerzální pájecí desky. Kontaktní pole byla speciálně upravena tak, aby bylo dosaženo jejich bezproblémové napojení na standardní měřicí přístroje. 

Modulární laboratorní přípravky vznikly jako reakce na některé nevýhody přípravků klasické koncepce, které jsou v současnosti používány na řadě škol. Takovéto přípravky jsou často vyráběny svépomocí na katedrách a vyznačují se kompaktností konstrukce, která neumožňuje podstatné změny v zapojení úlohy. Změny v topologii měřeného obvodu jsou možné pomocí přepínačů a dalších ovládacích a propojovacích prvků na přípravku. Student proto zapojení nevytváří, má jen velmi omezené možnosti jeho modifikace. Zpravidla se řídí laboratorním návodem a podle něj absolvuje řadu úkonů (připojení voltmetru mezi svorky A a B, otočení přepínače do udané polohy apod.), aniž porozumí podstatě měření. Tvořivost a iniciativa studentů nejsou tímto systémem podporovány.

Modulární přípravky vycházejí ze systémového pojetí, kdy složitější elektronické zařízení lze složit z jednodušších modulárních celků (například funkční generátor lze sestavit z integrátoru, komparátoru s hysterezí a převodníku „pila-sinus“). U každého modulu musí student znát jeho vstupně-výstupní chování, nezajímá se již o jeho vnitřní strukturu. Přehled dosud realizovaných přípravků je uveden v Příloze 3. Většinu z nich je možné použít i v jiných předmětech, např. v Impulsové technice apod.

Kombinací přípravků uvedených v bodech 3, 4 a 5 lze docílit značné variability v experimentální práci studentů. Potřebuje-li například student, sestavující na kontaktním poli obvody DA převodníku, přeladitelný výstupní filtr typu dolní propust, nemusí jej sestavovat, nýbrž použije již hotový blok.

Práce na projektu vytvořila základ pro naplňování bodu 6 zakoupením měřicích karet a Real Time Toolboxu Matlabu.

Zabezpečení obsahu praktické výuky.  

Inovovaná koncepce výuky klade větší důraz na provázanost přednášek a praktické výuky. Pokud se týká praktické výuky, numerická cvičení jsou většinou podřízena přípravě na finální experimenty (zjednodušeně řečeno: v numerických cvičeních se zařízení navrhne, v laboratořích se realizuje a odzkouší). K řadě laboratorních úloh jsou připraveny podklady pro počítačovou simulaci programem MicroCap VI. Scénáře praktické výuky počítají s kombinací reálných měření a počítačových simulací s cílem všestranného zkoumání jevů v obvodu. Ve finálním předmětu ”Konstrukce elektronických zařízení” je nyní kladen větší důraz na samostatnou práci studentů. Individuální projekty orientujeme na práci s aplikačními listy používaných integrovaných obvodů a na princip samostatného vyhledávání informací (např. získávání simulačních modelů součástek přes Internet apod.).

V první fázi bylo pro kurs Analogová technika vytvořeno 8 nových laboratorních úloh, které jsou popsány v Příloze 4. Další uvedené 4 úlohy byly vytvořeny pro kurs Teorie sdělování a přenosu dat. Jsou v nich použity modulární přípravky vyvinuté v rámci řešení tohoto projektu.

Zabezpečení výuky učebními fondy a pomůckami.  

S ohledem na relativně rychlý vývoj technologií, obvodových principů a součástkové základny vzniká problém zabezpečení výuky aktuální literaturou. Přednášející vypracovali podklady k jednotlivým učebním celkům a dali je k dispozici studentům jak v písemné, tak i elektronické formě. Studenti mají prostřednictvím WEBu k dispozici i laboratorní návody. Kromě toho jsou odkazováni na další informační zdroje na Internetu, především na stránky firem Analog Devices, Linear Technology, Texas Instruments a MAXIM, kde jsou upozorňováni na aktuální výukové kurzy a materiály. Po sdružení prostředků čerpaných z projektu s prostředky ÚTKO jsme do knihovny ústavu zakoupili knihy nakladatelství BEN a Computer Press a katalogy elektronických součástek, které jsou studentům k dispozici pro studijní účely a k řešení ročníkových projektů. 

K zabezpečení kurzu „Vzájemný převod A/D signálů“ a navazujícího doktorandského kurzu „Techniky AD a DA převodu“ je dokončována monografie, která vyjde v roce 2001 v nakladatelství VUTIUM. Její obsah je uveden v Příloze 2.

Zabezpečení výuky přístrojovou a výpočetní technikou a elektromateriálem.  

Plán inovací počítal s maximálním využitím stávající přístrojové a výpočetní techniky ústavu. Oproti plánovanému záměru se nám nepodařilo vyřešit tíživý problém všech elektrotechnických fakult – zabezpečit finančně únosnou možnost snímání kmitočtových charakteristik současně na více pracovištích laboratoře. Původní záměr, totiž vývoj relativně levných analyzátorů na bázi signálových procesorů MOTOROLA podle naší zakázky, se ukázal v tak krátké době řešení jako nereálný. Vzniklá finanční rezerva tak byla použita na nákup relativně levných generátorů signálů FG-506 do experimentální laboratoře. K analýze v kmitočtové oblasti bude nadále používán stávající impedanční a obvodový analyzátor HP3589A, který byl doplněn o vysokoimpedanční sondy a další příslušenství pro jeho lepší využití v experimentální učebně. 

Každé pracoviště v experimentální učebně je nově vybaveno moderní horkovzdušnou pájkou s příslušenstvím a upravenými propojovacími poli. Další součástí každého pracoviště jsou boxy se sadami odporů (z řady E12) a kondenzátorů (z řady E6). Integrované obvody a ostatní aktivní a pasivní prvky jsou uloženy v centrálních boxech. Formou ověřovacích vzorků jsou vytvořeny kanály pro doplňování sortimentu integrovaných obvodů firmami Texas Instruments a MAXIM.

V laboratoři se nachází 6 počítačů (pořízeno z prostředků ÚTKO, z rozpočtu projektu byl proveden upgrade a nákup plánovaných doplňků) pro zabezpečení simulací (programy MicroCap VI, NAP a RSC), syntézy obvodů (program NAF) a napojení na měřicí pracoviště (měřicí karty a Real Time Toolbox MATLABu).

Poměrně vysokou finanční položku představoval v rozpočtu projektu nákup stolní kamery FlexCam Document Pro (téměř 40.000 Kč). Jedná se o barevnou CCD kameru do výukové a experimentální laboratoře pro snímání a prezentaci katalogů, dokumentů a třírozměrných objektů. Kamera je zatím svým RGB výstupem napojena na výkonný projektor, který je umístěn v laboratoři. Tento projektor se podařilo získat z prostředků mimo FRVŠ a představuje tak významný příspěvek fakulty k řešení projektu. Po zakoupení speciálních videokaret bude signál z kamery rozveden do počítačů na všechna dílčí studentská pracoviště. Učitel tak bude mít možnost prezentovat studentům potřebné informace (konstrukční postupy, katalogové listy apod.) přímo v daném okně na počítačích na jednotlivých pracovištích.

Zabezpečení výuky legálním programovým vybavením.  

Na fakultě panuje roztříštěnost v používání jak operačních systémů, tak i programů elektrotechnického CADu. K nejednotnosti v operačních systémech dochází i na ÚTKO. Důvodem je rozdílná technická úroveň počítačů. V experimentální učebně je v současné době umístěno 6 počítačů nestejného typu (od 486 po Pentium MMX) s operačním systémem Windows 95. Jako numerický simulátor obvodů je používán program MicroCap VI. Z prostředků projektu byla zakoupena síťová verze programu NAP pro symbolickou, semisymbolickou a numerickou analýzu linearizovaných obvodů s možností exportu dat do MATLABu. Ve výuce analogových obvodů bude využíván k ověřování principu a k simulaci reálných vlastností selektivních obvodů s aktivními prvky (zejména aktivních filtrů s různými typy aktivních prvků). Dále byly zakoupeny programy NAF pro návrh pasivních a aktivních analogových filtrů a RSC pro analýzu reálných obvodů se spínanými kapacitory. Na počítačích experimentální laboratoře je dále nainstalován program Integra Station ver. 3.51 pro navrhování plošných spojů, MATLAB 5.3 a Office 97. 

Zabezpečení tvorby praktických výstupů.  

Vývojová a realizační dílna ÚTKO je nyní vybavena tak, že zabezpečuje možnost výroby zkušebních i finálních desek plošných spojů včetně SMT a dalších přípravků pro experimenty studentů, kompletaci přístrojových skříní a další potřebné dílenské a konstrukční práce. Dílna poskytuje servis i studentům při realizaci ročníkových a diplomových projektů.

3     PREZENTACE VÝSLEDKŮ

Pedagogické zkušenosti z výuky analogových obvodů za pomocí analyzačních a simulačních programů jsme prezentovali na mezinárodní pedagogické konferenci IAEEIE v německém Ulmu [1] a na mezinárodní vědecké konferenci CSCC’00 v Aténách [2] (Invited paper). Vystoupení na této konferenci bylo posléze publikováno v knize [3]. O behaviorálním modelování moderních aktivních obvodů, které bylo v rámci výuky proudových konvejorů a OTA zesilovačů implementováno do programu MicroCap VI ve formě makroobvodů, jsme pojednali v článku [4]. O zkušenostech z výuky linearizovaných obvodů za podpory počítače jsme hovořili na vyžádané přednášce na Instituto Militar de Engenharia, Departamento de Engenharia Elétrica, Rio de Janeiro [5] (s úhradou pobytových nákladů zvací stranou).

V závěru řešení projektu jsme zaslali 2 články k oponování organizačnímu výboru mezinárodní vědeckopedagogické konference UICEE’01, která se bude konat v únoru 2001 v Bangkoku. Oba články byly přijaty k uveřejnění. První z nich [6] se týká didaktických aspektů používání výpočetní techniky ve výuce elektrotechnických předmětů. Druhý [7] shrnuje naše zkušenosti z výuky metod analýzy analogových obvodů obsahujících moderní operační zesilovače a další aktivní prvky. Odkazy [8-14] představují vybrané publikace řešitelů, které vyplynuly ze soustavného sledování odborné oblasti analogových obvodů a jejichž výsledky se promítnou do výuky s určitým zpožděním. Účast na konferenci CSCC’00 v Aténách byla z části hrazena z rozpočtu projektu. Náklady na ostatní akce byly kryty ze zdrojů mimo FRVŠ.

Výsledky řešení projektu jsou k dispozici akademické obci i nejširší veřejnosti na www stránce Ústavu telekomunikací. Zde naleznou potřebné informace i studenti, např. si mohou stáhnout laboratorní návody a další dokumenty v elektronické formě.

S klíčovými záměry projektu byli seznámeni manažeři významných výrobců integrovaných obvodů, z nichž dva (Texas Instruments a MAXIM) vstřícně zareagovali na náš požadavek pravidelného přísunu testovacích vzorků vybraných integrovaných obvodů pro praktickou výuku.

4     HOSPODAŘENÍ S PŘIDĚLENÝMI PROSTŘEDKY

V přihlášce projektu je uveden následující návrh rozpočtu (tabulka 1):

1.  Investiční  výdaje:

0,- Kč

2.  Mzdové prostředky

n     Odměny pracovníkům podílejících se na realizaci  15.000,- Kč

n     Ostatní osobní výdaje    4.000,- Kč

3.  Ostatní neinvestiční výdaje

n     Sociální a zdravotní pojištění    6.000,- Kč

n     Knihy, učební pomůcky  15.000,- Kč

n     Drobný hmotný a nehmotný majetek

                   10x nepájivá pole  8.000,- Kč

                   Stolní kamera FlexCam Document Pro 1 ks 38.000,-  Kč

                   halogenové světlo ke kameře FlexCam Document Pro 5.000,- Kč

5x MOTOROLA DSP Kit 64000 30.000,- Kč

NAP síťová verze 10.000.- Kč

multimediální doplňky 15.000,- Kč

upgrade vybavení PC 40.000,- Kč

n     Materiál

                   elektronické součástky a spojovací materiál  30.000,- Kč

n     Služby

                   kurz tvorby aplikací v MATLABu, 2 osoby 6.000,- Kč

n     cestovné na konference 12.000,- Kč

n     Ostatní

vložné na konference  3.000,- Kč

Neinvestiční prostředky celkem 237.000,- Kč

Výdaje celkem    237.000,- Kč

Tento rozpočet byl schválen. Níže je uvedena tabulka 2 srovnávající přidělené a čerpané prostředky.

Zdůvodnění změn v čerpání položek nákladů oproti původnímu rozpočtu projektu:

V položkách e), g) a l) jsme ušetřili celkem 26.000 Kč, a to zejména proto, že s financováním knih, elektromateriálu a vložného na konference nám vypomohlo vedení FEI VUT. Tyto prostředky jsme použili na navýšení položek f), i-j-l) a h).. Následuje zdůvodnění těchto navýšení:

Navýšení položky f) (drobný majetek) o 7.000 Kč: Namísto plánovaných pěti procesorů MOTOROLA DSP Kit 64000 jsme pořídili generátory signálu FG-506 za přibližně stejnou cenu (věcné zdůvodnění tohoto kroku viz kapitola „Zabezpečení výuky přístrojovou a výpočetní technikou a elektromateriálem“). Navýšením této položky jsme překlenuli zvýšení cen doplňků kamery a pájecích souprav, které byly vyvolány vzrůstem kurzu dolaru.

Navýšení položek i-j-l) (cestovné a ostatní) o 5.000 Kč: Toto přerozdělení prostředků ve prospěch prezentací výsledků řešení v zahraničí je spíše symbolické, neboť většina nákladů s prezentací spojených byla hrazena školou a ze zdrojů mimo FRVŠ.

Navýšení položky h) (služby) o 11.000 Kč: Oproti plánu byl dražší kurs MATLABu, m.j. proto, že se jej zúčastnilo více doktorandů a jeho forma byla přizpůsobena našim konkrétním požadavkům. V této položce se navíc objevil neplánovaný výdaj za opravu tiskárny.

Vyčíslení nejvýznamnějších vkladů fakulty:

5 ZÁVĚR

Hlavním cílem řešení byla inovace koncepce výuky tří elektrotechnických předmětů II. stupně studia oboru EST a návazného doktorandského kurzu. Rozpočet projektu byl sestaven tak, aby po sdružení s prostředky řešitelských pracovišť finančně zabezpečil inovaci přístrojového parku s tím spojenou a umožnil řešitelům prezentaci výsledků v zahraničí.

Řešitelé provedli příslušnou modifikaci osnov předmětů (viz Příloha 1) a zlepšili návaznost jednotlivých forem výuky tím, že související numerická, počítačová a laboratorní cvičení sdružili do souvislé formy tzv. praktické výuky. Pro tuto výukovou formu zabezpečili i didaktické náplně (přednášky v písemné formě, laboratorní návody, knihy, informační servis pro studenty na Internetu, monografie viz Příloha 2) a materiální podmínky podstatnou inovací experimentální učebny. Podle charakteru výuky mají nyní studenti možnost práce na klasických přípravcích, vytvářet svá zapojení na univerzálních pájecích polích nebo na kontaktních polích, jakož i využívat speciální modulární přípravky (viz Příloha 3). Zlepšilo se i vybavení laboratoře standardní přístrojovou a didaktickou technikou (viz rozpočet). Nyní je pro studenty k dispozici i lépe vybavené dílenské pracoviště pro vývojově-realizační práce.

Kladem projektu je m.j. zapojení řady studentů do jeho řešení formou ročníkových projektů (viz Příloha 4). Inovovaná koncepce praktické výuky rozvíjí tvůrčí činnost studentů ve větší míře než koncepce původní, neboť klade větší důraz na samostatnou práci (studenti jednotlivá zapojení vytvářejí, dříve pracovali s kompaktními přípravky), jsou lépe propracovány cesty k cílům praktické výuky (zařízení si studenti nejprve navrhnou a pak realizují) a studenti se mohou lépe zamýšlet nad souvislostmi (prolínají se výklad činnosti zařízení, jeho konkrétní návrh, počítačová simulace, realizace a měření).

Výsledky řešení, zejména pokud se týká pedagogických aspektů, byly v odpovídající míře prezentovány zejména v zahraničí na významných mezinárodních konferencích a formou vyžádaných přednášek na akademické půdě (viz kapitola 2 Prezentace výsledků). Tyto prezentace byly hrazeny převážně z prostředků mimo FRVŠ.

Některé výsledky řešení mohou být inspirativní pro inovace praktických forem výuky dalších technických předmětů nejen na FEI VUT, ale i na dalších školách v ČR. Tyto inovace jsou pokračujícím procesem, který byl významně posílen právě řešením tohoto projektu.

Literatura

Příloha 1. Inovované sylaby kurzů

Tučně jsou vyznačeny partie, kterých se týkají inovace

ANALOGOVÁ TECHNIKA        

Diody, referenční napěťové diody, bipolární tranzistory a jejich základní zapojení (SE, SB, SK), emitorový sledovač jako zesilovač výkonu, komplementární emitorový sledovač ve třídě B a AB, Darlingtonovo zapojení a jeho využití ve výkonovém zesilovači, unipolární tranzistory a jejich zapojení v zesilovačích. Zdroje referenčního napětí, ”násobič uBE” a jeho využití v teplotně kompenzovaných zdrojích, referenční zdroj napětí využívající šířku zakázaného pásma v polovodičích, zdroje konstantního proudu, proudové opakovače.

Diferenční zesilovač s bipolárními a unipolárními tranzistory, struktury klasických operačních zesilovačů (OZ), struktury nových typů operačních zesilovačů využívajících zdrojů proudu řízených proudem. Parametry OZ: diferenční a souhlasné vstupní napětí, výstupní napětí a proud, zesílení, diferenční a souhlasná vstupní impedance, výstupní impedance, souhlasné napětí, napěťová nesymetrie a ujíždění (drift), klidové vstupní proudy a proudová nesymetrie, kmitočtová a přechodová charakteristika.

Proudové konvejory CCI+, CCI-, CCII+, CCII-, CCII+/+, CCII+/-, CCIII+, CCIII-, proudový konvejor s rozdílovým napěťovým vstupem a vyváženým výstupem (DVCC), proudový konvejor s rozdílovým a součtovým vstupem (DSVCC+, DSVCC-), zesilovač s proudovou zpětnou vazbou (CFA), transadmitanční zesilovač (OTA), transadmitanční zesilovač s plovoucím výstupem (BOTA), operační zesilovač s proudovým výstupem (OACO+), operační zesilovač s plovoucím proudovým výstupem (OMA-, FTFN), operační zesilovač se dvěma proudovými výstupy (OACO+/+). Příklady průmyslově vyráběných aktivních prvků. Programovatelné analogové funkční bloky.

Invertující, neinvertující, sčítací a rozdílové zapojení OZ, přístrojový rozdílový zesilovač, převodník I/U, převodníky U/I (pro uzemněnou a neuzemněnou zátěž), integrátor, derivátor, střídavé zesilovače s OZ. Použití proudových konvejorů v základních zapojeních.

Aproximace přenosové funkce filtru (Butterworth, Čebyšev, Bessel, Cauer, tranzitivní aproximace), aktivní filtry: s jednoduchou smyčkou ZV, s rozvětvenou smyčkou ZV, se zesilovačem s konečným zesílením, s několika OZ, simulace příčkových článků, Brutonova transformace. Fázovací články s OZ. Multifunkční obvody pracující v napěťovém, proudovém či hybridním režimu s proudovými konvejory a dalšími moderními aktivními prvky. Filtry se spínanými kapacitory a příklady řešení komerčně vyráběných filtrů SC.

Okrajovače a vykrajovače s OZ, diodové funkční měniče, logaritmické a exponenciální převodníky, jednocestné a dvoucestné operační usměrňovače, špičkové usměrňovače s OZ. Analogové integrované násobičky a jejich aplikace. Příklady univerzálních integrovaných funkčních měničů a jejich použití.

Obvody s analogovými spínači. Typy, parametry a vlastnosti integrovaných spínačů. Analogové multiplexery a demultiplexery, zesilovače s přepínatelným zesílením, elektronické střídače, vzorkovače s pamětí.

Oscilátory RC, funkční generátory, multivibrátory  s OZ a s integrovanými časovači. Fázový závěs (PLL) a jeho aplikace. Princip přímé kmitočtové syntézy (DDS).

Stabilizátory s referenční diodou a s tranzistorem, sériový a paralelní stabilizátor napětí, elektronické pojistky, integrované stabilizátory a jejich aplikace.

KONSTRUKCE A TECHNOLOGIE ELEKTRONICKÝCH ZAŘÍZENÍ            

Konstrukce signálových spojů:  nesymetrické a symetrické vedení; vlastnosti signálových spojů: el. krátké a el. dlouhé vedení, el. parametry vybraných spojů; provedení spojů : jednorázové vodiče, mnohožilový kabel, kroucený dvojitý vodič, koaxiální kabel, plošné spoje (třídy konstrukčního provedení, soustava jednotných vodičů a jednotných mezer, proudová zatížitelnost, oteplení plošného spoje, odpor plošných vodičů, jmenovité napětí mezi vodiči, kapacita a indukčnost plošného vodiče), optické spoje.

Napájecí zdroje a rozvody:  jednostupňové a dvoustupňové napájecí zdroje, síťový přívod, transformátory, odrušovací prostředky a jejich užití, zdroje pro plovoucí část zařízení (s měničem), rozvod od zdroje k jednotlivým systémům, rozvod na desce plošného spoje, rozvody společného vodiče (u analogových, u číslicových a u smíšených systémů), problematika zemních smyček (užití optočlenů a impulsních transformátorků pro oddělení).

Parazitní jevy a jejich potlačení : vazby na přívodních vodičích  (vstupní obvody, výstupní obvody, vazba na odporu přívodů), vliv parazitních kapacit a indukčností, přechodové odpory, termoelektrické napětí, pronikání impulsového rušení, přepětí na indukční zátěži, přenos signálů dlouhým vedením (odrazy na vedení, přeslechy, nabíjení a vybíjení vedení).

Stínění : stínění elektrického pole (stínění obvodů, stínění spojů),  stínění magnetického pole (stínění obvodů, stínění spojů) , ekvipotenciální stínění (pasivní a aktivní ochrana).

Výběr součástek a aplikační doporučení : pasivní prvky (rezistory, potenciometry a potenciometrické trimry, kapacitory a kapacitní trimry, induktory a jádra  pro induktory, piezoelektrické krystalové rezonátory), diskrétní polovodičové součástky (diody, tranzistory), operační zesilovače (charakter ZV sítě, korekce kmitočtové charakteristiky, charakter zdroje signálu a zátěže, okolní podmínky, konstrukční doporučení), speciální aplikační doporučení pro širokopásmové operační zesilovače, proudové konvejory, analogové spínače a  přepínače (diodové spínače a spínače s bipolárními tranzistory, spínače s unipolárními tranzistory, nábojově vyvážené spínače, přesné analogové spínače a přepínače), filtrační a nefiltrační obvody SC, programovatelná analogová pole, rychlé komparátory a časovače (využívající komparátory), D/A převodníky, vzorkovače s pamětí, číslicové a integrované obvody různých typů.

Mechanická konstrukce: provozní hlediska: řídicí a ovládací prvky, sdělovací a indikační prvky (kontrolní, informativní, přesné), řídicí a ovládací úkony, rozmístění řídicích a sdělovacích prvků;  výtvarná hlediska, základní doporučení pro stojící a sedící obsluhu; technická hlediska: typy přístrojových skříní, odolnost vůči namáhání rázem a vibrací, odolnost vůči působení vlhkosti a vody (působení vlhka na kovy, izolanty, na elektronické součástky, ochrana zařízení jako celku), odolnost vůči různým prostředím, odvod tepla z přístrojových skříní (přirozené chlazení, chlazení nuceným oběhem, odvod pomocí kovových pásků, průtokový chladič) odvod tepla ze součástek (součástka bez chladiče, součástka s chladičem, násuvné chladiče, chladiče pro připevnění na plošný spoj, vějířový chladič, chladiče pro připevnění na konstrukci, deskové chladiče, žebrované chladiče), teplotní stabilizace (termostaty); technologická hlediska: klasické plošné spoje, dvouvrstvé a vícevrstvé plošné spoje, plošné drátové spoje, připojování vodičů (měkké pájení, ovíjené spoje, metoda termi-point, zařezávané spoje, impulsní přivařování). SMD technologie – částečná inovace.

Bezpečnostní požadavky : základní pojmy, typy tříd a dělení podle pracovního prostředí, nápisy a značky na přístrojích, konstrukce přístroje z hlediska bezpečnosti, ochrana před nebezpečným dotykem, požadavky na izolaci, povrchové cesty a vzdušné vzdálenosti, vliv teploty, pohyblivé přívody.

Příloha 2: Osnova monografie

VRBA, R.: Analogově-číslicové a číslicově-analogové převodníky

1.       Zařazení převodníků v systémech sběru dat a řízení

2.       Základní operace při vzájemné přeměně analogového a číslicového signálu

2.1.            Diskretizace v čase a omezení šířky pásma vstupního signálu

2.2.            Kvantování a chyby kvantování

2.3.            Dvojkové kódy

3.       Elektronické spínače a přepínače

3.1.            Parametry spínačů

3.2.            Používané technologie pro spínače a přepínače napětí a proudu: JFET, PMOS, CMOS, diody

3.3.            Přesné zesilovače s programovatelným zesílením

4.       Vzorkování signálu, vzorkovače a sledovače signálu s analogovou pamětí

4.1.            Přehled parametrů obvodů S/H a T/H, chyby vzorkovacích obvodů.

4.2.            Rozbor stavebních prvků vzorkovače s analogovou pamětí.

       Neinvertující zapojení vzorkovačů s analogovou pamětí

       Invertující zapojení vzorkovačů s analogovou pamětí

       Rozdílové zapojení vzorkovačů s analogovou pamětí

       Šířka pásma systému pro vzorkování a pamatování

5.       Základní parametry vzájemné přeměny analogového a číslicového signálu

5.1.            Statické parametry převodníků

         Přesnost převodu

         Určení nelinearity, typy

         Vliv pracovní teploty

         Průnik napájecího napětí

5.2.            Dynamické parametry převodníků

         Odstup signálu od šumu, dynamický rozsah

         Počet efektivních bitů

         Šum v převodnících

         Parazitní zákmity při převodu

6.       Zdroje referenčního napětí a proudu                      

6.1.            Struktura zdroje referenčního napětí a proudu, praktická zapojení.

6.2.            Teplotní kompenzace

7.       Číslicově-analogové převodníky                                  

7.1.            Základní struktura Č/A převodníků

7.2.            Paralelní Č/A převodníky s váhováním proudů

7.3.            Č/A převodníky se zaručeně monotónní převodní charakteristikou

7.4.            Integrační Č/A převodníky

7.5.            Nepřímé Č/A převodníky

7.6.            Sériové Č/A převodníky

7.7.            Převodníky Č/A s autokalibrací

         Napěťová kalibrace

         Zlepšená proudová kalibrace

7.8.            Č/A převodníky s převzorkováním a tvarováním šumu

         Kombinovaná analogová a číslicová filtrace při rekonstrukci signálu

         Praktické řešení jednobitového a vícebitového Č/A převodníku s tvarováním šumu

8.       Analogově-číslicové převodníky                                  

8.1.            Základní struktura A/Č převodníků

8.2.            Komparační A/Č převodníky, jedno a vícestupňové.

8.3.            Kompenzační A/Č převodníky

8.4.            Integrační A/Č převodníky

         Převodníky s mezipřevodem na časový interval

         Převodníky s mezipřevodem na kmitočet

         Převodníky s vícesklonnou integrací a zkráceným cyklem převodu

8.5.            A/Č převodníky sigma-delta

         Schéma převodníku sigma-delta a jeho dynamický rozsah, souvislost se sledovacím A/Č převodníkem

         Převodník sigma-delta prvního řádu a n-tého řádu

         Převodník sigma-delta třetího řádu se spínanými kapacitory

         Odstup signálu od šumu

8.6.            Jiné druhy AČ převodníku

         Cyklické A/Č převodníky a

         Algoritmické A/Č převodníky

         A/Č převodníky s překládanou převodní charakteristikou

8.7.            Autokalibrace a automatické nulování v A/Č převodnících

9.       Převodníky napětí na kmitočet

9.1.            Převodníky na principu funkčních generátorů

9.2.            Převodníky s vyvažováním náboje

9.3.            Zlepšení dynamických  vlastností, potlačení fázového šumu, přesnost převodníků napětí kmitočet

10.   Převodníky kmitočtu na napětí

10.1.        Převodníky s využitím čítačů a Č/A převodníků

10.2.        Převodníky na principu analogové integrace

10.3.        Přesnost převodníků kmitočet napětí

11.   Analogově digitální rozhraní systémů pro sběr dat           

11.1.        Spolupráce Č/A  a A/Č převodníků s číslicovými procesory

11.2.        Zásuvné analogové vstupně - výstupní jednotky počítačů PC

11.3.        Programovatelné generátory tvarových kmitů

11.4.        Struktura vícekanálového komplexního měřicího systému s digitalizací signálů

12.   Potlačení interferencí parazitních zdrojů na systémy A/Č a Č/A rozhraní   

12.1.        Minimalizace vlivu galvanických a elektromagnetických vazeb vhodnou instalaci systémů A/Č a Č/A rozhraní

12.2.        Minimalizace vlivu okolí na přesnost převodníků

12.3.        Číslicové metody zvyšující přesnost A/Č a Č/A konverze

12.4.        Konstrukční zásady pro aplikaci Č/A  a A/Č převodníků

13.   Testování převodníků

13.1.        Statické a dynamické testování Č/A převodníků

13.2.        Statické a dynamické testování A/Č převodníků, zjištění počtu efektivních bitů

13.3.        Návrh integrovaných převodníků BIST se zajištěnou samotestovatelností (BIST)

Příloha 3. Přehled dosud vyvinutých a realizovaných modulárních přípravků

Obecné parametry všech přípravků:

-         rozměry 120x120x30mm

-         vysokoohmové vstupy (> 1MOhm)

-         nízkoohmové výstupy (< 1Ohm)

-         ochrana před přepólováním a překročením napájecího napětí

Analogová násobička	Elektronický střídač	Zesilovač a posouvač úrovně	Aktivní dolní propust s mezním kmitočtem (4,5-14,5)kHz
Aktivní pásmová propust	Vzorkovací obvod	Číslicově-analogový převodník	Aktivní dolní propust s  mezním kmitočtem (0,5-5)kHz

Příloha 4. Nově vytvořené úlohy pro samostatnou práci studentů v experimentální laboratoři

1. Ověřování základních vlastností operačních zesilovačů

2. Nízkofrekvenční zesilovače s OZ

3. Aktivní filtr

4. Oscilátory RC

5. Konstrukce funkčního generátoru

6. AKO s časovačem 555

7. Operační usměrňovače

8. Fázový závěs

9. Modulace AM

10. Modulace FM

11. Modulace BPSK

12. Modulace PAM

Příloha 5. Přehled ročníkových a diplomových prací souvisejících s řešeným projektem

*) RP1.. ročníkový projekt 1; RP2 .. ročníkový projekt 2; BP .. bakalářský projekt; DP ..   diplomová práce

Podrobnosti jsou uvedeny zde