Электроника:Эксперименты/Электрические цепи постоянного тока/Простейший компьютер

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Перевод: Макаров В. (valemak) Контакты:</br>* Habr: @vakemak</br>* Сайт: www.valemak.com</br>Перевёл статей: 648.
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Простейший компьютер[1]

Оборудование и материалы

  • Три батареи, каждая с разным напряжением
  • Три одинаковых резистора номиналом от 10 кОм до 47 кОм каждый

При подборе резисторов измерьте омметром каждый и выберите три наиболее близких по номиналу друг к другу. Точность очень важна для этого эксперимента!

Ссылки по теме

Цели эксперимента

  • Определить, как резисторная сеть может функционировать в качестве усреднителя сигнала напряжения
  • Проиллюстрировать применение теоремы Миллмана

Принципиальная схема

Рис. 1. Принципиальная схема усреднителя сигнала напряжения.
Рис. 1. Принципиальная схема усреднителя сигнала напряжения.

Иллюстрации

Рис. 2. Усреднитель сигнала напряжения (реализация на беспаечной макетной плате).
Рис. 2. Усреднитель сигнала напряжения (реализация на беспаечной макетной плате).
Рис. 3. Усреднитель сигнала напряжения (реализация на клеммной колодке).
Рис. 3. Усреднитель сигнала напряжения (реализация на клеммной колодке).

Ход эксперимента

Эта обманчиво грубая схема выполняет функцию математического усреднения трёх сигналов напряжения вместе и, таким образом, выполняет специализированную вычислительную роль. Другими словами, это компьютер, который может выполнять только одну математическую операцию: нахождение среднего арифметического от трёх величин.

Соберите эту схему, как показано на рисунке, и измерьте все напряжения аккумуляторов с помощью вольтметра. Запишите эти значения напряжения на бумаге и усредните их вместе (E1 + E2 + E3, делённое на три). Когда вы измеряете напряжение каждой батареи, держите чёрный тестовый щуп подключённым к точке «земли» (сторона батареи, непосредственно соединённая с другими батареями перемычками), и прикоснитесь красным щупом к другой клемме батареи. Здесь важна полярность! Вы заметите, что одна батарея на принципиальной схеме подключена «обратно» к двум другим отрицательным полюсом «вверх». Напряжение этой батареи должно быть отрицательным при измерении надлежащим образом подключённым цифровым измерителем, тогда как другие батареи показывают положительное значение.


Когда вольтметр подключён к цепи в точке, показанной на схеме и иллюстрациях, он должен регистрировать среднее алгебраическое напряжение трёх батарей. Если значения резисторов выбраны так, чтобы они очень точно соответствовали друг другу, «выходное» напряжение этой схемы также должно очень точно соответствовать рассчитанному среднему значению.

Если одна батарея отключена, выходное напряжение будет равно среднему напряжению остальных батарей. Если перемычки, ранее соединявшие извлечённую батарею с цепью среднего значения, соединить друг с другом, схема будет усреднять два оставшихся напряжения вместе с 0 вольт, создавая меньший выходной сигнал:

Рис. 4. Перемычки, ранее соединявшие извлечённую батарею с цепью среднего значения, соединяем друг с другом.
Рис. 4. Перемычки, ранее соединявшие извлечённую батарею с цепью среднего значения, соединяем друг с другом.

Явная простота этой схемы удерживает большинство людей от того, чтобы называть её «компьютером», но она, несомненно, выполняет математическую функцию нахождения среднего арифметического. Он не только выполняет эту функцию, но и выполняет её намного быстрее, чем любой современный цифровой компьютер! Цифровые компьютеры (такие как персональные компьютеры, т.е. ПК) и кнопочные калькуляторы, выполняют математические операции в виде серии дискретных шагов. Аналоговые компьютеры выполняют вычисления в непрерывном режиме, используя законы Ома и Кирхгофа для арифметических целей, «ответ» вычисляется настолько быстро, насколько напряжение распространяется по цепи (в идеале со скоростью света!).

С добавлением схем, называемых усилителями, сигналы напряжения в аналоговых компьютерных сетях могут быть усилены и повторно использованы в других сетях для выполнения широкого спектра математических функций. Такие аналоговые компьютеры превосходно выполняют вычислительные операции численного дифференцирования и интегрирования, и как таковые могут использоваться для моделирования поведения сложных механических, электрических и даже химических систем. Когда-то аналоговые компьютеры были лучшим инструментом для инженерных исследований, но с тех пор их в значительной степени вытеснили цифровые компьютерные технологии. Цифровые компьютеры обладают преимуществом выполнения математических операций с гораздо большей точностью, чем аналоговые компьютеры, хотя и с гораздо меньшей теоретической скоростью.

Компьютерное моделирование

Схема с номерами узлов SPICE:

Рис. 5. Принципиальная схема усреднителя сигнала напряжения с отмеченными электрически общими точками.
Рис. 5. Принципиальная схема усреднителя сигнала напряжения с отмеченными электрически общими точками.

Список соединений (создайте текстовый файл, содержащий следующий текст, дословно):

Список связей SPICE

Voltage averager
v1 1 0
v2 0 2 dc 9
v3 3 0 dc 1.5
r1 1 4 10k
r2 2 4 10k
r3 3 4 10k
.dc v1 6 6 1
.print dc v(4,0)
.end

С помощью этого списка связей SPICE мы можем заставить цифровой компьютер имитировать аналоговый компьютер, который усредняет три числа вместе. Очевидно, что мы делаем это не для практической задачи усреднения чисел, а для того, чтобы больше узнать о схемах и о компьютерном моделировании схем!

См.также

Внешние ссылки