Současnost a budoucnost výuky elektroniky na FEL ČVUT v Praze

Fakulta elektrotechnická Českého vysokého učení v Praze má dlouhou a významnou historii. Kořeny elektrotechnického studia v Praze sahají mnohem hlouběji do minulosti – až do 80. let 19. století, výuka informatiky má více než 60letou tradici. Samostatným vysokoškolským studijním oborem se elektrotechnické inženýrství stalo již roku 1911. V roce 1920 vzniklo ČVUT v Praze se šesti samostatnými vysokými školami, přičemž jednou z nich byla Vysoká škola strojního a elektrotechnického inženýrství. Elektrotechnika představovala po roce 1945 nejrychleji se vyvíjející technickou disciplínu, emancipace tohoto oboru vyvrcholila v tehdejším Československu vlnou zakládání samostatných elektrotechnických fakult, Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze vznikla roku 1950.

Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze vychovává vysokoškolsky vzdělané odborníky v oblasti elektrotechniky a informatiky formou studijních programů, ve kterých výuka pokrývá řadu oborů – elektroniku, energetiku, telekomunikační techniku, kybernetiku, měření, automatizaci, řízení, informatiku, výpočetní techniku, ekonomii a management. Rozvíjí vědeckou práci, vychovává nové vědecké pracovníky a je centrem pro vědeckou, výchovnou a expertní činnost v uvedených oblastech.

V tomto příspěvku je stručně popsána výuka v oblasti elektroniky ve dvou nových významných studijních programech Komunikace, multimedia, elektronika (KME) a Kybernetika a robotika (KyR). Studijní programy FEL jsou zcela nové.

Nový studijní program KME

Ve školním roce 2009/2010 byla zahájena na FEL ČVUT výuka KME. Vznik tohoto studijního programu byl součástí celkové reorganizace studia, která již plně respektovala vytvoření plnohodnotného vysokoškolského studia v bakalářské i magisterské etapě v délce 3 resp. 2 let. Tato zásadní změna byla již před lety zahájena v měřítku Evropské unie. Formování trhu pracovních sil v tzv. „nových zemích EU“ probíhalo však poněkud odlišně a teprve touto reorganizací studia se Elektrotechnická fakulta zásadně přiblížila požadavkům tohoto trhu. Mezi hlavními problémy dosud přetrvává otázka pracovního zařazení absolventů bakalářského studia, vzhledem ke tradičnímu českému pojetí technické vysoké školy jako školy s absolventy – inženýry. Jasné vydělení čtyř samostatných studijních programů značně zpřehlednilo celou strukturu studia. V druhém roce běhu 2010/2011 se studijní program KME podle počtu přihlášených stal nejsilnějším na FEL. Jeho hlavní předností je široký záběr oblasti slaboproudé techniky s rozsáhlým aplikačním uplatněním. Zahrnuje jak realizaci hardwaru, tak i softwarovou část slaboproudých systémů a subsystémů.

Studijní program KME je rozdělen do čtyř základních oborů – bezdrátové komunikace, multimediální technika, elektronika a síťové technologie. Každý z těchto uvedených oborů má bakalářskou a magisterskou etapu. Pro vynikající studenty má studijní program KME jako jediný z programů výběrovou formu studia, která umožňuje formou individuálních studijních plánů a náročnějších verzí předmětů plně využít schopností těchto studentů.

Studijní obor Elektronika studijního programu KME je zaměřen na realizaci elektronických systémů včetně odpovídajícího doprovodného softwaru. Detailní popis současného stavu výuky elektroniky a budoucích perspektiv na FEL je obsažen v následujících odstavcích.

Výuka principů elektrotechniky a funkce základních elektrických obvodů včetně metod jejich analýzy je soustředěna do druhého semestru v předmětech „Elektromagnetické pole, vlny a vedení“, „Elektronické prvky“ a zejména v předmětu „Základy elektrických obvodů“. Tyto předměty jsou doplněny o kurz seznamující studenty s problematikou signálů a s popisem elektrických soustav v předmětu „Signály a soustavy“. Ten také propojuje oborové znalosti na systémové úrovni např. vztahy mezi chováním obvodů a soustav v časové a kmitočtové (spektrální) oblasti – problematika lineárních soustav a filtrů.

Na tyto základní předměty pak navazují profilové předměty programu, jejichž úkolem je rozšířit základní znalosti pro další specializace. Z problematiky obvodových realizací se jedná o předmět zaměřený na digitální techniku „Digitální technika“ a analogovou techniku „Analogové obvody“. Jak v základních předmětech, tak i v těchto navazujících předmětech se využívá počítačová technika a CAD. Jedná se zejména o simulační programy (např. MicroCap, WinSpice a vlastní www aplikace, vytvořené na katedře teorie obvodů) a pak o software pro výuku digitální techniky, kde studenti pracují přímo s hradlovými poli. I v analogové technice je výuka podpořena praktickými ukázkami reálného chování obvodů. Vlastnosti mnohých simulovaných obvodů si studenti ověří na skutečných přípravcích v rámci laboratorních cvičení. V bakalářském studijním programu si studenti oboru Aplikovaná elektronika prohlubují znalosti obvodových struktur v předmětu „Laboratoř elektronických systémů“, jehož výuka je podporovaná jak systémy CAD, tak i CAM. Mimo tyto předměty si studenti vybírají témata pro individuální projekty. Ty jsou zadávány od druhého ročníku a obvykle ústí v závěrečnou bakalářskou práci. Řada z těchto prací je orientovaná aplikačně, často s důrazem na praktickou realizaci. V rámci řešení mohou studenti využívat katedrové laboratoře a vybavení, které je mnohdy na špičkové úrovni. Studenti se tak seznámí s moderními přístroji a s vybavením, se kterým se pak mohou setkat v praxi. Pracoviště disponují licencemi kompletního návrhového systému PADS a dále systému Mentor Graphics pro profesionální návrh integrovaných obvodů a čipů. Zde se jedná zejména o předměty Implementace analogových soustav a Elektronické obvody a filtry. Studenti programu KME tak získají hluboké znalosti a dovednosti i v oboru Elektronika, které pak mohou uplatnit v praxi, jak dokazují mnozí naši absolventi, pracující v renomovaných českých i zahraničních firmách.

Více o programu, jeho předmětech a náplni studia lze nalézt na internetových stránkách programu a stránkách fakulty (http://kme.fel.cvut.cz/ a http://fel.cvut.cz/).

Nový studijní program KyR

Nový studijní program Kybernetika a robotika (KyR) navazuje na studijní obor Kybernetika a měření v rámci dobíhajícího strukturovaného studijního programu Elektrotechnika a informatika. Zahrnuje v sobě nové obory bakalářského studia „Robotika“, „Senzory a přístrojová technika“ a „Systémy a řízení“. Studenti se v závěru bakalářského studia orientují na řešení bakalářských prací, které obhajují na jedné z oborových kateder, jimiž jsou katedra kybernetiky, katedra měření a katedra řídicí techniky. V dobíhajícím studijním programu byla výuka v oblasti elektroniky zastoupena v předmětech „Elektrické obvody 1“, „Elektrické obvody 2“, „Elektronika“, „Elektronické systémy“, a částečně v předmětu „Elektrické měření“.

Po přestavbě studia je v novém studijním programu Kybernetika a robotika zřejmý posun k systémovému a uživatelskému přístupu k elektronice. První seznámení s elektronikou mají studenti již v prvním semestru studia v několika přednáškách předmětu „Roboti“, kde se prezentuje ve formě elektronických obvodů snímačů a řídicích obvodů pro ovládání akčních členů v demonstračním robotu. Z hlediska elektroniky má tento předmět funkci motivační, cílem je ukázat studentům, k čemu jsou takové obvody dobré.

Základní výuku elektrických obvodů a elektroniky pokrývá předmět „Elektrické obvody a prvky“ s posíleným rozsahem (4+2 hod.) přednášený až ve 3. semestru studia tak, aby navazoval na přednášky z fyziky v oblasti elektřiny a magnetismu. Náplň předmětu je plně optimalizována pro daný obor tak, aby poskytovala teoretické základy, které jsou zapotřebí při návrhu elektronických obvodů v automatizaci, kde se jedná o různé snímače, regulační a akční bloky a mikroprocesorové řídicí systémy. Problematika číslicové elektroniky je náplní předmětu „Struktury počítačových systémů“, který se orientuje na číslicové systémy a jejich realizaci pomocí hradlového pole (FPGA).

Předmět „Senzory a měření“ ve 4. semestru využívá dříve získané poznatky v oblasti elektroniky a dále je rozvíjí na příkladu jednotlivých elektronických přístrojů využívaných při měření elektrických i neelektrických veličin. V závěru bakalářského studia je v 6. semestru předmět „Aplikovaná elektronika“, jehož hlavním úkolem je, aby studenti získali znalosti potřebné pro návrh elektronických zařízení, především v oblasti řídicí techniky a robotiky. Důraz je kladen na praktické aplikace, náplní je proto problematika od ideového návrhu přes výběr vhodných součástek až po návrh plošného spoje a mechanické řešení.

V magisterském studijním programu Kybernetika a robotika jako celku se povinné předměty v oblasti elektroniky již nevyskytují. Výjimkou je obor Senzory a přístrojová technika, kde se vyučuje předmět „Zpracování a digitalizace analogových signálů“, který se také věnuje elektronickým měřicím obvodům.

Jak je známo, s problematikou elektroniky se každý nejlépe seznámí při řešení konkrétního problému. Proto je také úkolem studentů v rámci samostatných projektů řešených v různých předmětech navrhnout a realizovat konkrétní elektronický blok. Příklady studentských prací jsou uvedeny na následujících obrázcích.

Obr. 1. Realizace optoelekrického reflexního snímače

Na obr. 1 je příklad jednoduchého optoelektronického reflexního snímače využívajícího čtyřnásobný operační zesilovač. Snímač byl řešen v rámci laboratorních cvičení předmětu orientovaného na senzorovou techniku. V návrhu se vyskytují tyto funkční bloky: astabilní klopný obvod s OZ, IRED, fototranzistor, převodník proud – napětí, řízený usměrňovač, dolnopropustný filtr a komparátor s hysterezí. Tak se s jediným integrovaným obvodem, několika tranzistory, rezistory a kapacitory prakticky procvičí látka z několika kapitol elektroniky. Zde se již projeví schopnost studentů řadu návrhů obvodů odsimulovat některým z dostupných programů a odstranit klasické „bastlení“. Někdy se však ukáže, že jim chybí komplexní pohled na elektronický návrh a objeví se tak nová forma „bastlení“, kdy student při simulaci nesystematicky zkouší měnit parametry jednotlivých prvků tak, aby dosáhl kýženého cíle – správné funkce, avšak bez pochopení dalších souvislostí.

Obr. 2. Laboratorní realizace číslicového osciloskopu na nepájivém kontaktním poli

Na obr. 2 je již výsledek komplexního projektu řešeného v rámci cvičení předmětu orientovaného na mikroprocesorovou techniku, jímž byl „číslicový osciloskop“ realizovaný na nepájivém kontaktním

poli. Osciloskop obsahuje rychlý A/D převodník, vyrovnávací paměť FIFO, spouštěcí logiku s GAL, mikroprocesorový blok zajišťující řízení přístroje a přenos záznamu do PC.

V případě bakalářských a diplomových prací, pokud si studenti vyberou odpovídající téma práce, se seznámí s elektronikou ještě v širším rozsahu, než tomu bylo v rámci povinné výuky. Vedoucí diplomové práce, který přebírá neformální funkci „tutora“, by měl doporučit vhodné volitelné předměty pro doplnění znalostí potřebných pro řešení úkolu. U realizačních prací si studenti často volí předměty orientované na praktický návrh elektronických obvodů a jejich realizaci na deskách plošných spojů. Pak jsou schopni vytvořit komplexní dílo, které zahrnuje návrh elektronických obvodů, návrh bloku řídicího mikropočítače, návrh desek plošných spojů, tvorbu programu pro mikropočítač i tvorbu aplikačního programu pro nadřazené PC. Je to však častěji případ diplomových prací, přestože se i některé bakalářské práce mohou pochlubit podobnou složitostí.

Obr. 3. Deska řízení obrazového senzoru CMOS se zpracováním obrazu pomocí FPGA

Jako příklad výsledku jedné z mnoha realizačních diplomových prací řešených na katedře měření může sloužit deska řízení obrazového senzoru CMOS a zpracování obrazu pomocí hradlového pole (FPGA) a signálového procesoru, vybavená rozhraními USB a Fast Ethernet (obr. 3). Takové a podobné práce je možno považovat již za ucelené inženýrské dílo.

Více tomto o programu, jeho předmětech a náplni studia lze nalézt na internetových stránkách programu a stránkách fakulty (http://kybernetika.fel.cvut.cz/ a http://fel.cvut.cz/).

Budoucnost výuky elektroniky bude muset zřejmě dále vycházet z reálného stavu stále sílícího významu oblastí spojených s komunikací a zpracováním signálu, je nutno připravit studenty tak, aby měli vedle teoretických znalostí relativně univerzální praktický přehled, získali zkušenosti i schopnosti vhodně kombinovat např. využívání programového vybavení na nižší úrovni pro běžnou činnost i zvládnout zakázkový návrh pro některé náročnější případy.

Závěr

Výše uvedených cílů je možné dosáhnout v podstatě přechodem na individuální výuku. To ovšem standardní ekonomické podmínky umožňují na uměleckých školách, nikoliv na technických. Musíme proto hledat jiné cesty, využívající moderní technické prostředky. Sem patří vytváření zázemí pro činnost studentů mimo standardní výuku. Relativně menší problémy jsou v této oblasti se simulacemi apod., kde si vystačíme s počítačovými učebnami. Horší je situace s praktickou realizací obvodových struktur a měřením. Svoji roli zde hraje jednak poměrně vysoká ekonomická náročnost pořízení takového pracoviště, jednak i jeho rychlé morální zastarávání. Problémem je, že takto připravených studentů se zájmem o tyto oblasti není na základě běžného studia dostatek s ohledem na požadavky praxe. Proto je třeba hledat cesty, jak takové studenty získávat pro návrh elektroniky již během bakalářské etapy studia. K tomu je nutno vytvářet podmínky ve formě možností vyzkoušet si „nezávazně“ realizovat svůj obvod, ověřit svůj nápad apod. V tomto směru bude třeba do budoucna věnovat pozornost vytváření pracovišť pro praktickou realizaci. FEL získala v tomto roce podporu z EU zdrojů a buduje nové moderní pracoviště – Laboratoře pro vývoj a realizaci, které jsou kromě podpory výuky otevřeny i pro spolupráci s praxí. V příštím čísle budou tato pracoviště i technické zázemí pro výuku a výzkum blíže představena.