Продолжение. См. № 5,
7, 9, 11/08
Л.В.ПИГАЛИЦЫН < levp@rambler.ru >,
школа № 2, г. Дзержинск, Нижегородская обл.
Компьютерный физический
эксперимент
1. Виртуальные приборы на уроках
физики (окончание)
Измерение электрического
сопротивления, ёмкости, индуктивности и частоты
с помощью обычного ПK. В предыдущих статьях я
познакомил читателей с виртуальными звуковым
генератором и осциллографом и работой с ними. Но
этим возможности компьютера не ограничиваются.
При использовании несложных программ с помощью
компьютера можно измерять различные физические
величины. Познакомимся с измерением некоторых из
них.
1. Программа «Измеритель ёмкости
конденсаторов» позволяет превратить ваш
компьютер c операционными системами MS-DOS, Windows
95/98 в прибор. Принцип его работы основан на
измерении времени зарядки конденсатора. Время
зарядки-разрядки конденсатора достаточно
стабильно, и его можно считать прямо
пропорциональным ёмкости конденсатора. Это
время можно измерить, используя таймер
компьютера. С этой целью конденсатор подключают
к одному из портов компьютера – GAME, LPT, COM
или USB. В предлагаемой программе конденсатор
подключается к двум выводам свободного СОМ-порта:
в качестве «плюсового» щупа используется
контакт 7, а в качестве «минусового» – контакт 1.
Прибор позволяет измерять ёмкости
конденсаторов до 10 000 мФ. Нижний предел измерения
зависит от быстродействия компьютера и лежит в
пределах от 150 до 500 пФ. Прибор имеет две ступени
ручной калибровки: 0,1% и 0,01% от ёмкости,
подключённой к измерителю, а также ручной и
автоматический выбор пределов измерения.
Правила работы с прибором :
– перед подключением конденсатора
разрядите его (замкнув выводы);
– измеряйте электролитические
конденсаторы с рабочим напряжением не ниже 20 В;
– при измерении ёмкости
электролитических конденсаторов дождитесь хотя
бы трёх циклов измерения. Желательно также
откалибровать прибор с помощью образцового
электролитического конденсатора ёмкостью около
20 мФ;
– если вы калибровали прибор
электролитическим конденсатором, не забудьте
перед измерением неэлектролитических
конденсаторов откалибровать прибор
конденсатором соответствующего типа.
Программа Izm_Emk бесплатная. Её можно
скачать с сайта http://anilak.narod.ru/instrument.htm.
После разархивирования скачанного
пакета Izm_Emk.zip в папке Izm_Emk будут находиться три
файла: IZM_EMK.EXE, EGAVGA.BGI и KEYUKR_V.EXE. Эти файлы не
удаляйте, т.к. без них программа работать не
будет. В процессе работы программа создаёт свой
служебный файл CONST.KOR.
Программа работает в любой
операционной системе, кроме Linux. Однако для
получения стабильных результатов измерения
желательно запускать программу в среде MS-DOS и
калибровать прибор перед каждым измерением
термостабильным конденсатором известной
ёмкости (желательно около 100 нФ).
2. Виртуальный измеритель ёмкости
конденсаторов. Если у вас на компьютере стоит
операционная система WindowsXP и возникают
проблемы с измерением ёмкости конденсаторов при
применении предыдущей программы, то попробуйте
эту программу (автор О.Записных, в предыдущих
статьях я описывал его виртуальный осциллограф).
Она позволяет оценить электрическую ёмкость в
пределах от нескольких пикофарад до одной
микрофарады. Прибор показывает измеренное
значение ёмкости, ближайшее значение из
стандартного ряда для конденсаторов, а также
промежуточные результаты, используемые при
расчёте ёмкости. Принцип действия прибора
иллюстрируется схемой и формулой, которые
помещены в правой части панели.
С выхода звуковой карты компьютера
переменное синусоидальное напряжение поступает
на цепочку, состоящую из испытуемого
конденсатора Сх и измерительного
резистора R. Входы звуковой карты подключены
для измерения напряжений: U1 –
суммарного, U2 – на резисторе R.
Напряжение U2 при известном R есть
информация о токе, текущем через цепочку.
Подключите какой-либо конденсатор Сх,
запустите виртуальный осциллограф (см. № 7/2008 ), и
вы увидите сдвиг фаз между напряжением и током в
цепочке.
Реализованный в приборе метод
измерения, таким образом, можно определить как
метод амперметра-вольтметра для комплексной
цепи.
Для работы с прибором вам понадобится несложное
внешнее устройство – штеккер для подключения к
звуковой карте, схема которого приведена на
рисунке. Сопротивление резистора желательно
предварительно точно измерить, например,
цифровым тестером. Входной кабель сделайте из
экранированного провода, подключите его к
линейному входу звуковой карты. Установите на
панели «Громкость» – для линейного входа «Выкл.»
по выходу и «Выбрать» по входу.
Настройка измерителя состоит из двух
операций.
1. Отключите Сх, нажмите
кнопку «0». При этом программа «запомнит»
начальную ёмкость подводящих проводов и гнёзд.
2. Замкните гнёзда Сх
перемычкой, нажмите кнопку «U». В открывшееся
окно введите 1000 (мВ). Программа запоминает все
установки и настройки и восстанавливает их при
следующем включении.
Напряжение по выходу определяется
положением звуковых регуляторов громкости и
баланса Windows, максимальная амплитуда
сигналов без искажений около 1 В. Следует
заметить: данная программа предъявляет высокие
требования к звуковой карте и её драйверу. Карта
должна обеспечивать стереорежим работы с
частотами дискретизации 48 000 Гц. Если у вас не
получается функционирование прибора, возьмите в
блокнот файл cm.dat и исправьте первые две строки на
«44100». Предпочтительно работать под WinХР, 2000, NT. С
Win98 программа работоспособна, но требует больше
ресурсов системы. Программа бесплатная. Ее можно
скачать с сайта www.mtu-net.ru/avangard
.
3. Измерение электрического
сопротивления, ёмкости, индуктивности. Всё это
делает программа «MultiMeter», используя весьма
оригинальный способ. В качестве измерительного
преобразователя «MultiMeter» используется
обычная звуковая карта. Принцип действия прост.
Так как звуковая карта не является полноценным
АЦП, то, хорошо чувствуя форму сигнала, она
совершенно не приспособлена для определения его
амплитуды (прямым путём, конечно). Но оказалось,
что это ограничение можно обойти, сравнивая
уровни двух независимых сигналов. Генерируемый
сигнал переменного тока с линейного выхода
поступает на линейный вход. По одной цепи сигнал
с линейного выхода идёт напрямую, без всякого
сопротивления на левый линейный вход звуковой
карты, – это эталонный сигнал. По другой цепи тот
же выходной сигнал поступает на правый линейный
вход, но уже через измеряемый элемент. 
Так же вводится дополнительный
резистор Rдоб, который устанавливается
снаружи корпуса системного блока и
подсоединяется одним концом на корпус. Понятно,
что уровень сигнала с правого линейного входа,
прошедшего через резистор, будет меньше, чем с
левого. Программа измеряет соотношение уровней
сигналов с левого и правого входов и по нему
вычисляет активное сопротивление для обычного
резистора. Для реактивной нагрузки ёмкости и
индуктивности алгоритм несколько усложняется,
используются две частоты, кроме ослабления
сигнала также учитывается сдвиг фаз. Ёмкость
конденсаторов и индуктивность дросселей
определяется путём решения системы из двух
уравнений. Для подсоединения к разъёмам звуковой
карты понадобятся два штеккера, разводка которых
показана выше.
Программа «MultiMeter» состоит из одного
исполнимого файла (212 кб) и не требует
инсталляции, её интерфейс прост и понятен. Слева
в области «Work Mode» задаются режимы калибровок и
измерений. Сначала программа калибруется: в
режиме «Calibrating Short» запускается с замкнутой
накоротко измерительной цепью – между точками А
и В нет резистора. При этом нужно подождать
некоторое время, пока в окне Err не установится
наименьшее числовое значение. Таким же способом
калибровка проделывается в режиме «Calibrating Open», но
уже при разомкнутой измерительной цепи. Режим
«Measure 1st mtd» используется для измерения
сопротивления резисторов. В положении «Measure 2nd mtd»
измеряется ёмкость или индуктивность.
В левых верхних окнах пользователем
задаются значения сопротивления установленного
дополнительного резистора Rдоб (Rserial)
и генерируемых для измерения частот. Эти
параметры могут быть разными для различных
режимов и измеряемых величин, что будет уточнено
ниже. В левых нижних окнах выводятся числовые
значения для измеряемых величин: сопротивление
(ом), ёмкость (микрофарад), индуктивность
(миллигенри). Теоретически каждый электрический
элемент может обладать заметными величинами
одновременно сопротивления, ёмкости и
индуктивности, что и будет отображаться во всех
трёх окнах программы. Однако действительным
будет только то значение, которое соответствует
роду измеряемой величины.
• При измерении ёмкости конденс
аторов номиналом 1–10 нФ рекомендуется Rдоб
= 100 Ом и частоты 100/1000 Гц. Для измерения
конденсаторов больших номиналов рекомендуется
уменьшать частоты и сопротивление Rдоб
(до 20 Ом).
• Для измерения резисторов номиналом
от 1 Ом до 10 кОм рекомендуется Rдоб = 20 Ом,
до 150 кОм – Rдоб = 100 Ом, а до
500 кОм – Rдоб = 300 Ом.
Частоты не оговариваются.
• Уровень сигнала на линейном входе и
выходе в микшере Windows рекомендуется
поставить на середину, но не выше 3/4.
• Индуктивность катушек можно
довольно точно измерять в диапазоне от 4 мкГн до
120 мГн (Rдоб = 20 Ом, частоты 700/1000 Гц).
Таким образом, программа «MultiMeter» может
стать чрезвычайно полезным помощником для
учащихся и учителей, собирающих электронные
приборы. Конечно, её точность не прецизионная, но
достаточно хорошая, – это ещё смотря, с чем
сравнивать. Если для измерения сопротивления
резисторов можно купить достаточно точный
цифровой прибор (примерно за 10 долл.), то с
измерителями ёмкости и индуктивности не так всё
просто: они либо очень дороги, либо дают диапазон
и погрешность ещё хуже программы «MultiMeter» и тоже
недёшевы. У дешёвых стрелочных тестеров имеются
шкалы для L и C, но они берут сигнал
переменного тока с розетки 220 В, что небезопасно
для человека и самого прибора. Я остался очень
доволен тем результатом, который был получен.
Стоит отдать должное автору «MultiMeter» за
оригинальность подхода. Программа работает под
управлением Windows95/98/2000/ХТ. Она бесплатная,
сайт www.i-adrian.home.ro.
4. Измерение частоты. Вот дошла
очередь и до цифрового частотомера, также
реализованного программным путём. Его частотный
диапазон определяется частотой дискретизации 44,1
кГц. Интерфейс этого частотомера отличается
приятным видом и небольшими размерами. Даже
цифры здесь стилизованы под показания
сегментных индикаторов, с их крупными размерами,
характерным наклоном и яркостью.
Прибор отличается довольно высокой
точностью показаний, хорошо воспринимает
импульсный сигнал с импульсами прямоугольной
формы, при синусоидальном сигнале желательно,
чтобы амплитуда на входе была не ниже 0,5 В.
Под цифровым табло находятся
регуляторы периода пересчёта «Timer», который
может меняться в довольно-таки больших пределах,
и установка синхронизации «Trigger», где можно
выбрать автоматический или ручной режим. Справа
находится блок кнопок под названием «Hysteresis», об
их смысле можно судить на практических примерах:
при включении на «0» на показаниях частотомера
начинают сказываться наводки в провод ах, что
проявляется даже в отсутствие входного сигнала,
но при включении последующих значений ситуация
исправляется. Таким образом, этот блок отвечает
за чувствительность по входному каналу. Прибор,
частоту которого необходимо измерить,
подключается к линейному входу звуковой карты.
Программа бесплатная и очень короткая
– всего 95 кб, находится по адресу http://payalnik.hypermart.net/ в разделе
«Приборы/Частотомеры».
На этом я заканчиваю наше знакомство с
виртуальными приборами. Если у вас возникнут
проблемы, то напишите, и я отвечу на все ваши
вопросы. В следующих статьях я познакомлю вас с
различными видами виртуального физического
эксперимента на ПК.
Продолжение см. в № 19/08