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Didaktisohes System
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Die Erfindung betrifft ein didaktisches System zur Vermittlung naturwissenschaftlicher
und technischer Zusammenhänge, insbesondere der Zusammenhänge von elektrischen und
elektronischen Größen unter Benutzung konkreter Schaltungsdarstellungen.
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In den vergangenen Jahren hat die Elektronik einen immer breiteren
Raum eingenommen. Die Entwicklung von neuen modernen Halbleitern und anderen elektronischen
Bauteilen haben diese Entwicklung begünstigt. Rundfunk und Fernsehen, aber auch
die Industrie-Elektronik und die Medizin wären ohno diese technischen Entwicklungen
heute nicht mehr vorstellbar.
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Daraus folgt, daß auch die Zahl Derjenigen, die sich in ihrem Beruf
mit Elektronik befassen oder befassen müssen, immer größer wird. Die verschiedenen
Techniken wie Steuerungs- und Regeltechnik, Hochfrequenztechnik, Digital- und Datentechnik
haben auch eine Reihe neuer Berufe entstehen lassen, die in ihrem Bachbereich eine
besondere Ausbildung benötigen.
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Den,entsprechend is-t es auch erforderlich, einer imner größeren Zahl
von Menschen die für alle diese verschiedenen Tätigkeiten entscheidenden, grundlegenaan
Begriffe der Elektrotechnik und der Elektronik zu vermitteln.
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Im Fachhandel wird eine Vielzahl von Behrbüchern zu diesem Zweck für
alle Teilbereiche der Elektronik angeboten.
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Fachbücher können jedoch zwangsläufig nur ein sehr theoretisches Bild
der zu vermittelnden Zusammenhänge geben.
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Es sind auch Geräte auf dem Markt, die anhand von elektrischen und
elektronischen Bauteilen und geeigneten Meßinstrumenten den Aufbau verschiedener
funktionsfähiger Geräte gestatten, um Demjenigen, der sich in die Materie einarbeiten
will, auch ein gewisses Maß an praktischem Verständnis und praktischer Meßerfahrung
zu geben.
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Derartige Geräte erfordern jedoch zwangsläufig elektronische Bauteile
und entsprechende Meßapparaturen, die zunächst einen relativ hohen Anschaffungspreis
haben und auch, insbesondere bei fehlerhafter Beschaltung oder Messung, leicht der
Zerstörung ausgesetzt sind.
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Infolge des hohen Preises können derartige Heßplätze von Privatleuten
nur unter beträchtlichen finanziellen opfern, und auch von dafür bestimmten Instituten,
wie zum Beispiel Schulen, nur in beschränkter Anzahl erworben werden.
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Die Erfindung stellt sich zur Aufgabe, ein didaktisches System zu
schaffen, das die Breitenwirkung eines Fachouches durch relativ niedrige Anschaffungskosten
mit der praktischen Meßerfahrung im Versuch verbindet, da Letztere erfahrungsgemäss
vom didaktischen Standpunkt betrachtet, Vorteile bietet, die ein Fachbuch nicht
besitzt.
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Das erfindungsgemässe System löst diese Aufgabe dadurch, daß der theoretische
Wert odor der Verl-uf der elektrischen oder elektronischen Größen an diskreten Punkten
der dargestellten konkreten Schaltung in or von Meßwerten dadurch simuliert und
angezeigt wird, daß die zu messende Schaltung auf einer Karte derart aufgedruckt
ist, daß bei räumlich fixierter Zuordnung dieser Karte zu einer Leiterplatte durch
Hesrtellung einer elektrischen Verbindung durch den jeweiligen diskreten Punkt zur
Leiterplatte ein Stromkreis zu einer diesen Meßwert reproduzierenden und /oder dessen
Verlauf anzeigenden Einrichtung mit mindestens einem Anzeigenfeld geschlossen wird.
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Die Grundidee der erfindungsgemässen Lösung also darin, nicht mehr
eine echte Messung tatsächlich von dener elektronischer Bauelemente durchzuführen
und diese dann mittels aufwendiger Meßgeräte optisch darzustellen, sondern mittels
einer sehr einfachen elektrischen Schaltung zu simulieren.
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In der einfachsten Borm werden für die Realisierung des erfindungsgemässen
Systems an elektrischen Teilen lediglich eine Leiterplatte, mehrere Lampensätze,
eine Batterie und geeignete Verbindungsleitungen benötigt.
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Das erfindungsgemässe didaktische Systems vermittels daher mit einem
unverhältnismässig geringerem Aufwand als die bisherigen Meßlabors eine anschauliche,
praxisnahe Darstellung elektrischer Zusammenhänge durch Simulierung eines Meßvorganges.
Durch äußere optische Gestaltung der Erscheinungsform des didaktischen Systems kann
der Meßcharakter in einfacher Weise noch verstärkt werden:
So sieht
zum Beispiel eine Ausgestaltung der Erfindung vor, daß die den diskreten Meßpunkten
anzeigende Einrichtung aus mehreren Anzeigeeinheiten besteht, und daß die die Anzeigefelder
tragenden Anzeigeeinheiten außerdem ein dem Betrachter zugewandtes Bedienungsfeld
aufweisen, auf dem Bedienungselemente des simulierten Meßinstrumentes dargestellt
oder angebracht sind.
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Aus dem gleichen Grund sieht eine Ausgestaltung der Erfindung vor,
daß zur Herstellung der elektrischen Verbindung die Karte deckungsgleich auf der
Leiterplatte aufliegt und von einer stromleitenden Nadel durchstochen wird, die
als Meßspitze ausgebildet ist.
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Schließlich sieht eine weitere Ausgestaltung vor, daß mehrere, als
Meßspitzen ausgebildete Nadeln, vorhanden sind, und daß dia Anschlußleitung jeder
Nadel an eine Buchse an der zugehörigen Anzeigeeinheit angeschlossen ist.
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Diese elektrisch- optischen Hilfsmittel verstärkern beim Benutzer
des erfindungsgemässen Systems die Illusion, tatsächlich eine Messung an der dargestellten
konkreten Schaltung durclizuSüllren, was einen beträchtlichen didrastischen Wert
hat.
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Das erfindungsgemässe System eignet sich daher hervorragend zur Vermittlung
von elektrotechnischen Grundtatsachen,für die qualitative Aussagen über die betrel-Senden
elektrischen oder elektronischen Größen vollkommen ausreichend sind, um den angestrebten
Lern - und Lehreffekt zu erreichen.
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Infolge des einfachen konstruktiven Aufbaues und des daraus resultierenden
vergleichsweise günstigen Preises
ist es auch für die betreffenuan
öffentlichen Einrichtungen, wie zum Beispiel Fachschulen, möglich, jedem Schüler
ein derartiges Gerät zur Verfügung zu stellen.
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Das Gerät eignet sich darnib auch ur Durchführung von Prüfungen mit
optimaler Prüfungsgerechtigkeit.
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In der einfachsten Ausbaustufe des erfindungsgemässen Systems, kann
die Meßwert- anzeigende Einrichtung einfach aus mehreren Lampensatzen bestehen,
die je auch Berührung der stromleitenden Nadel mit der Leiterplatte aufleuchten
und eine Zahl oder ein Symbol ( den "Meßwert") aufleuchten lassen.
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Es ist natürlich auch möglich, anspruchsvollere Ausbaustufen vorzusehen,
so kann gemass einer Ausgestaltung diese Einrichtung aus einem von der Leiterplatte
angesteuerten Mikroprozessor bestehen, der abgespeicherte Werte oder zeitliche Abläufe
( als " Meßwerte") auf geeignete Anzeigevorrichtungen, wie zum Beispiel Zähler oder
Oszilloskop gibt.
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Auch hierbei handelt es sich noch um eine Meßsimulation, die allerdings
durch das Vorhandensein konkreter Lnzengevorrichtungen noch realistischer gestaltet
ist.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu
entnehmen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird run-anhane von Zeichnungen
näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 . ein Blockschaltbild des erfindungsgemässen
didaktischen Systems, Figur 2 : eine Explosionsdarstellung zur Funktionsweise des
Systems nach Fig.1, Figur 3 : eine Detaildarstellung eines Ausführungsbeispiels
der Einrichtung 12 in Figur 1.
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In Figur 1 sind dio wesentlichen Bestandteile des erfindungsgemässen
Systems dargestellt: Eine Leiterplatte 11 weist eine Vielzahl von Bahnen auf, die
über geeignete Beitungsverbindurlgen mit einer Einrichtung 12 mit einem Anzeigenfeld
13 verbunden sind.
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Dargestellt ist der erste Eingang x1 und der letzte Eingang zk. Diese
rechts dargestellten Verbindungsleitungen stellen die eine Hälfte eines Stromkreises
dar.
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Die andere itälfte des Stromkreises wird mittels einer stromleitenden
Nadel 1G geschlossen, die in vorbestimmter Position auf eine der Leiterbahnen der
Leiterplatte 11 aufgesetzt wird. Durch eine in der Einrichtung 12 eingebaute Batterie
wird damit ein Stromkreis zur Einrichtung 12 geschlossen und im Anzeigenfeld 13
erscheint ein Wert oder ein Symbol, das der von der Nadel 16 getroffenen Leiterbahn
der Leiterplatte 11 entspricht.
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Dieses einfache elektrische System wird dadurch zum didaktischen System,
daß die Leiterplatte 11 in eine raumfeste Verbindung mit jeweils einer Karte 10
gebracht wird, dabei gehören zum didaktischen System eine praktisch beliebige Anzahl
von Karten 10.
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Eine dieser karten 10, die sogenannten" Meßkarten", ist als Beispiel
in Figur 2 dargestellt. Aus Figur 2 kann man auch das Grundprinzip des erfindungsgemässen
didaktischen Systems entnehnLen, wobei zur Vereinfachung lediglich die zur Verbindung
x1 zugehörige leiterbahn auf der Leiterplatte 11 dargestellt ist.
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Die dargestellte "Meßkarte", die Karte 10, enthält eine sehr einfache
Schaltung, nämlich ein von einem Genevator G gespeister Widerstand II. Die entsprechenden
elettrotechnischen Größen ( U= 12 Volt,- R= 6 Ohm ) sind dabei vorgegeben. Eine
derartige Meßkarte dient zur Vedeutlichung des Ohm'schen Gesetzes R= U/I, das beispielsweise
dem Benutzer vor Augen geführt werden soll.
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Diese Karte 10 wird nun in einer definierten Position über die Leiterplatte
11 gelegt, dabei ist es zweckmässig, wenn die Außenabmessungen der Karten 10 Qer
Außenabmessung der Leiterplatte 11 entsprechen. Zweckmässigerweise ist der in den
Abbildungen nicht dargestellte Träger sämtlicher Bauteile als Kunststoff- Formteil
ausgebildet, der eine wannenartige Vertiefung für die Aufnahme der Leiterplatte
11 aufweist, sodaß durch diese Vertiefung eine ortsfeste Positionierung der Meßwarten
10 auf der Leiterplatte 11 gewährleistet ist.
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Die als Beispiel gewählte Meßwarte 10 zeigt einen Mepunkt m zur "Messung"
des in dieser Schaltung mit den gewählten Schaltungsgrößen fließenden Stromes I.
Entscheidend ist nun, daß der Lage dieses " Meßpunktes" m auf der Karte 10 eine
bestimmte Leiterbahn auf der Leiterplatte 11 entspricht. Im dargestellten Beispiel
ist das die Leiterbahn, die zum Anschluß x1 führt, und der die Zahl "2" im Anzeigenfeld
13 entspricht.
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Wenn der Schüler nun mit der als "Meßspitze" " ausgebildeten Nadel
16 durch den " Meßpunkt" m durchsticht, trifft die Spitze der Nadel 16 folglIch
auf die dargestellte Leiterbahn der Leiterplatte 11 und der Stromkreis zur Einrichtung
12 mit dem Anzeigenfeld 13 wird geschlossen.
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Da dieser speziellen Leiterbahn auf der Leiterplatte 12 die Anzeige
"2" entspricht, entnimmt der Schüler der "Messung", dnß in dem auf der Karte 10
dargestellten S-tromkreis ein Strom von 2A fließt, und er kann damit das Ohm'sche
Gesetz verifizieren.
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Die Funktion des erfindungsgemässen didaktischen Systems beruht also
ganz einfach darauf, daß man entsprechend der Menge der benötigten, anzuzeigenden
"Meßwerte" eine entsprechende Anzahl von Leiterbahnen auf der Leiterplatte 11 vorsieht,
und die " Meßpunkte " auf den Karten 10 so legt, daß bei Durchstoßen der Meßpunkte
genau der ge -wünschte " Meßwert" angezeigt wird. Da sich die Leiterbahnen labyrinthmässig
auf der Lelterplatte 11 verstrecken und zudem von der jeweiligen Meßkarte 10 und
ggf.zusätzlich noch von einer elastischen Folie,z.B.Filz, asogedeckt werden, ist
es für den schüler auch nicht möglich, anhand der Positionierung eines "Meßpunktes"m
auf der warte 10 bereits den zugehörigen "ISeßwert" zu erraten.
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Das erfindungsgemässe System eignet sich auch sehr gut zur Fehlersimulation,
bei der mit einer möglichst geringen Anzahl von "Messungen" das fehlerhafte "Bauteil"
einer Schaltung aufgefunden werden soll, hierlässt sich nämlich leicht anhand der
Einstiche in der Meßkarte 10 kontrollieren, wie zielstrebig und mit welchem Sachverstand
der Schüler zu Werke gegangen ist, das heißt, der -jenige Schüler wird das beste
Ergebnis erzielt haben, der den Fehler mit einer möglichst geringen Anzahl von "Messungen"
( = Durchstiche in der Karte 10) ermittelt hat.
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Es versteht sich von selbst, daß dle zu " messenden Größen in keinem
tatsächlichen Zusammenhang mit der Spannung der im erfindungsgemässen System eingesetzten
Batterie stehen, hier kann eine Batterie von Deispielsweise 4,5 Volt eingesetzt
werden, was eine vollkommen ungefährliche "Meßsung" gewährleistet, soaaS auch bei
"Messfehlern" keine Schäden entstehen können.
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Das erfindungsgemässe System kann sowohl hinsichtlich der " Meßwert"-Erzeugung
als auch der "Meßwert"-Anzeige mehr oder weniger aufwendig ausgestattet sein. In
Fig. 3 ist ein praktisches Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen didaktischen
Systems auf der konstruktiv einfachsten Stufe dargestellt.
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Auch dieses Ausführungsbeispiel geht von der in Fig.1 und 2 dargestellten
Leiterplatte 11 aus, es ist jedoch unmittelbar einsichtig, daß auch andere konkrete
Realisierungen denkbar sind, entscheidend ist lediglich, daß eine Matrix-Struktur
der Zuoranung von " Meßpunkten"m zu den Anschlüssen x1....zk erreicht wird.
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Die in Figur 3 dargestellte Einrichtung 12 bos-ert aus zwei Anzeigeeinheiten
121 und 122. Jode Anzeigeeinheit weist ein Anzeigefeld 131 bzw. und ein Bedienungsfeld
151 bzw. 152 auf. Die Bedienungsfelder 151,152 sind Attrappen und sind entsprechend
dem Meßgerät, das die jeweilige Anzeigeeinheit darstellen soll., ausgeführt.
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So stellt beispielsweise die Anzeigeeinheit 121 ein "Digital-Meter"
dar und die Anzeigeeinheit 122 ein "Oszillos -kop".
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Zur wirklichkeitsnahen Simulation einer Messung sind in den Bedienungsfeldern
151,152 Buchsen 161,162 vorgesehen,
die eine elektrotechnische
Funktion haben, nämlich mit diesen sind die als "Meßspitzen" ausgebildeten Nadeln
16 und 17 zum Durchstoßen der Karten 10 angeschlossen.
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Durch verschiedenartige Farbgebung der "Meßspitzen" kann man daher
eine wirklichkeitsgetreue Zuordnung zu dem jeweiligen"Meßgerät" nachbilden, ohne
daß diese Zuordnung bei der in Figur 3 dargestellten Schaltung von Bedeutung wäre,
da die beiaen Nadeln 16 und 17 mit einer gemeinsamen Batterie 20 verbunden sind.
Die Anzeigefelder 131,132 der Anzeigeeinheiten 122,121 bestehen aus transparenter
Folie oder anderem geeigDstem Material,hinter der an der jeweiligen Position eine
Glühlampe angeordnet ist, so ist winter den 10 Feldern des Anzeigefeldes 131 ein
aus 10 Glühlampen bestehender Lampensatz 141 angeordnet, wogegen die 6 verschiedenen
Anzeigen des Anzeigefeldes 132 von einer aus 6 Glühlampen bestehenden xampensatz
142 nach außen sichtbar beleuchtet werden. Aus Gründen der Veranschaulichung sind
die jeweiligen Glühlampen seitlich von den zugehörigen Teilen der Anzeigenfelder
dargestellt.
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Das eine Ende der Lampensätze 141,142 ist zusammengefa3t und an die
Batterie 20 geführt, an deren anderem Ende die beiden Nadeln 16 und 17 angeschlossen
sind.
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Die andere Anschlußseite der Lampen der Lampensätze 141, 142 bilden
die in Figur 1 schon dargestellten Anschlüsse x0, x1.... xn und z1...zk der Anzeigeeinrichtung
12.
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in Ergänzung zu der schon unter Fig.2 beschriebenen Runktion des erfindungsgemässen
Systems sieht man aus der Detaildarstellung des Ausführungsbeispiels in der Figur
3, daß bei Durchstechung der dargestellten Karte 10 durch die Nadel 17 folgender
Stromkreis geschlossen wird:
Nadel 17 - Buchse 161 - Batterie 20-
2.Glühlampe des Lampensatzes 141, Anschluß x1, Leiterplatte 11 Bei der " Messung"
der in figur 2 beispielsweise dargestellten Schaltung ( Strommessung am meßpunkt
m) leuchtet also die zum Anschluß x1 gehörige Glühlampe auf, wie dies in Figur 3
schematisch dargestellt ist und der " Meßwert" , die Zahl "2", erscheint im Anzeigefeld
131 des zugehörigen " Meßgerätes", nämlich der Anzeigeneinheit 121.
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Wie aus Figur 3 zu entnenmen, ist auf diese einfache Simulationsweise
nicht nur die Darstellung von Zahlen, sondern natürlich auch von beiiebigen Symbolen,
insbesondere elektrischen Größen, wie Kurvenfunktionen, Kennlinien oder ähnliches
möglich. Dies ist in der 2. Anzeigeeinheit 122 realisiert, die ein " Oszilloskop"
simuliert. Soll beispielsweise die Impulsform innerhalb eines Schwingkreises veranschaulicht
werden, so wird man eine Schaltungsdarstellung auf einer Meßkarte 10 wählen, deren
" Messpunkv" so liegt, daß man bei Durchstoßen dieser Karte 10 aul eine Leiterbahn
auf der Leiterplatte 11 trifft, die gerade die rechte obere Glühlampe des Lampensatzes
142 aktiviert, das heißt, den Stromkreis schließt, in dem diese Glühlampe liegt.Diese
Glühlampe erleuchtet dann das Anzeigefeld 132b und der Benutzer des didaktischen
Systems erhält als "Meßergebnis" die auf diesem Anzeigenfeld dargestellte Sinusfunktion
als Representation des Strom-oder Spannungsverlaufes innerhalb eines Schwingkreises.
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Entsprechend lassen sich die anderen in den Anzeigefeldern 132a bis
f dargestellten Impulsformen oder Kennwertverläufe entsprechenden Schaltungen auf
weiteren "Meßkarten" 10 zuordnen.
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Es ist einsichtig, daß nicht alle beliebigen Parameter und Verläufe
innerhalb verschiedener Stromkreise simuliert werden können, hier bietet sich ein
besonderes (nicht dargestelltes) Anzeigenfeld an, das beispielsweise ein LED-Bauteil
enthält, mit Hilfe dessen eine Ja/Nein-Entscheidung getroffen werden kann ( beispielsweise
Signal vorhanden / Signal nicht vorhanden).
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Sofern diese systembedingten Beschränkungen des Ausführungsbeispiels
gemäss der Figur 3 störend werden sollten, kann in einer weiteren Ausbaustufe das
didaktische Systom dadurch ergänzt werden, daß von der Leiterplatte 11 oder einer
entsprechend geeigneten matrixähnlichen Zuordnung beispielsweise ein Nikroprozessor
angesteuert wird, der den " Meßwerten" entsprechende, abgespeicherte Werte oder
zeitliche Abläufe auf tatsächlich vorhandene geeignete Anzeigevorrichtungen wie
Zähler oder Oszilloskopes gibt. In diesem Fall lässt sich natürlich dann auch der
"Wertevorrat" an " N-eßwerQen" praktisch beliebig erhöhen und eine einer tatsächlichen
Messung sehr viel weiter angenäherte Simulationsstufe erreichen.
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Ijit dem erfindungsgemässen didaktischen System sind daher die Vorteile
eines Fachbuches und eines Meßlabors optimal vereinigt.
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L e e r s e i t e