Очень простой компьютер

ДЕТАЛИ И МАТЕРИАЛЫ

• Три батареи, каждая с разным напряжением
• Три резистора одинаковой величины, от 10 кОм до 47 кОм каждый.

При выборе резисторов измерьте каждый из них омметром и выберите три, которые являются наиболее близкими по величине друг к другу. В этом эксперименте очень важна точность!

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ

Уроки электрических цепей , Том 1, глава 10:«Анализ сети постоянного тока»

ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ

• Чтобы определить, как резисторная сеть может работать как усилитель сигнала напряжения.
• Чтобы проиллюстрировать применение теоремы Миллмана.

СХЕМА

ИЛЛЮСТРАЦИЯ

ИНСТРУКЦИИ

Эта обманчиво грубая схема выполняет функцию математического усреднения три сигнала напряжения вместе и, таким образом, выполняет специализированную вычислительную роль. Другими словами, это компьютер, который может выполнять только одну математическую операцию:усреднение трех величин вместе.

Постройте эту схему, как показано, и измерьте все напряжения батарей с помощью вольтметра. Запишите эти значения напряжения на бумаге и усредните их вместе (E ₁ + E ₂ + E ₃ , разделенное на три). Когда вы измеряете напряжение каждой батареи, удерживайте черный измерительный щуп подключенным к точке «заземления» (сторона батареи, непосредственно соединенная с другими батареями с помощью перемычек), и прикоснитесь красным щупом к другой клемме батареи. Здесь важна полярность! Вы заметите, что одна батарея на принципиальной схеме подключена «назад» к двум другим, отрицательная сторона «вверх». Напряжение этой батареи должно считаться отрицательной величиной при измерении правильно подключенным цифровым измерителем, а другие батареи - положительным.

Когда вольтметр подключен к цепи в точке, показанной на схеме и иллюстрациях, он должен регистрировать среднее алгебраическое значение напряжений трех батарей. Если значения резисторов выбраны так, чтобы они соответствовали друг другу, «выходное» напряжение этой схемы также должно очень близко совпадать с расчетным средним значением.

Если один аккумулятор отключен, выходное напряжение будет равно среднему напряжению остальных аккумуляторов. Если перемычки, ранее соединявшие снятую батарею со средней схемой, соединены друг с другом, схема будет усреднять два оставшихся напряжения вместе с 0 вольт, создавая меньший выходной сигнал:

Совершенная простота этой схемы не позволяет большинству людей называть ее «компьютером», но она, несомненно, выполняет математическую функцию усреднения. Он не только выполняет эту функцию, но и выполняет ее намного быстрее, чем любой современный цифровой компьютер! Цифровые компьютеры, такие как персональные компьютеры (ПК) и кнопочные калькуляторы, выполняют математические операции в виде серии дискретных шагов. Аналоговые компьютеры выполняют вычисления в непрерывном режиме, используя для арифметических целей законы Ома и Кирхгофа, «ответ» вычисляется с той же скоростью, с какой напряжение распространяется по цепи (в идеале, со скоростью света!).

С добавлением цепей, 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 основным инструментом 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 на гораздо более медленных теоретических скоростях.

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Схема с номерами узлов SPICE:

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

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

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ:

• Рабочий лист теорем Миллмана