Эксперимент

Компьютерный физический эксперимент

Продолжение. См. № 1, 3, 5, 7, 9, 11, 15, 17, 19, 23/2009, 1/2010

7. Компьютерные физические конструкторы (продолжение)

7.5. Электронный конструктор для учебно-исследовательских работ школьников и студентов. Электронные конструкторы «Сборка» и «Начала электроники», описанные в предыдущих статьях, позволяют учащимся собирать несложные схемы для иллюстрации электрических процессов, происходящих в них, и исследовать электрические схемы в пределах школьной программы. Для сборки более сложных электронных схем, которые могут понадобиться учащимся в их исследованиях, можно порекомендовать электронные лаборатории Electronics Workbench, LabView и др. В этой статье я познакомлю вас с очень популярным электронным конструктором Electronics Workbench.

Разработка любого радиоэлектронного устройства сопровождается физическим или математическим моделированием. Физическое моделирование связано с большими материальными затратами, поскольку требуется изготовление макетов и их трудоёмкое исследование. В этом случае прибегают к математическому моделированию с использованием средств и методов вычислительной техники. Одним из таких средств и является электронный конструктор Electronics Workbench (EWB), разработка фирмы National Instruments (CША), которая позволяет на рабочем поле собирать схемы от простейшего фонаря до мини-ЭВМ.

Программа разработана фирмой National Instruments Electronics Workbench Group (www.interactiv.com). Особенностью программы является наличие контрольно-измерительных приборов, по внешнему виду и характеристикам приближённых к их промышленным аналогам. Программа легко осваивается и достаточно удобна в работе.

Достоинство EWB как учебной программы заключается в развитии творческого начала учащегося: он может не только вы полнять задания преподавателя, но и имеет возможность предложить и апробировать свои технические решения, а это уже творчество, которое превращает учебный процесс в увлекательное занятие. Существуют несколько версий этой программы. Мы будем рассматривать версию EWB 5.0. Для начала познакомимся с рабочим полем этой программы.

Видно, что структура окна практически полностью повторяет известные программы, предназначенные для работы в Windows. Вверху находятся команды меню: File (Файл), Edit (Редактирование), Circuit (Меню подготовки схем и задания параметров моделирования), Analysis (Установка режимов моделирования) и всем известные меню Window и Help. В средней части находятся также общеизвестные команды: New, Open, Save и т. д. В нижней части находятся 13 библиотек компонентов. Цифра на рабочем поле обозначает номер библиотеки компонентов, а стрелка у цифры указывает на эту библиотеку. Выясним, какие компоненты находятся в этих библиотеках:

• 1 – Sourses – источники напряжения постоянного и переменного токов, источники переменного тока с амплитудной и частотной модуляциями;
• 2 – Basic – базовые пассивные элементы (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, трансформаторы), переключатели и электромагнитные реле;
• 3 – Diodes – полупроводниковые диоды, диодные мосты, динисторы и тиристоры;
• 4 – Transistors – биполярные и полевые транзисторы различных структур;
• 5 – Analog ICs – операционные усилители;
• 6 – Mixed Is – микросхемы смешанного типа, АЦП, ЦАП, мультивибратор и таймер NE555;
• 7–9 – библиотеки цифровых микросхем, в том числе триггеров и логических элементов;
• 10 – Indicators – индикаторы – вольтметры, амперметры, лампы накаливания, светодиоды, цифровые индикаторы и динамик;
• 11 – Controls – аналоговые вычислительные устройства;
• 12 – Miscellaneous – вакуумный триод, кварцевый резонатор, электродвигатель постоянного тока и т. д.;
• 13 – библиотека контрольно-измерительных приборов – мультиметр, функциональный генератор, двухканальный осциллограф, измеритель АЧХ и ФЧХ, генератор слова, логический анализатор и логический преобразователь;
• 14 – кнопка включения и выключения собранной цепи.

 

1. Подготовка к созданию схем

Прежде чем создавать чертёж принципиальной схемы средствами программы EWB, на листе бумаги подготавливают её эскиз с примерным расположени­ем компонентов и с учётом возможности оформления отдельных фрагментов в виде подсхем.

В общем случае начинают с размещения на рабочем поле EWB компонентов из библиотек программы в соответствии с подготовленным эскизом. Все библиотеки поочерёдно могут быть вызваны с помощью меню или иконок библиотек. Для открытия нужной библиотеки подводят курсор мыши к соответствующей иконке и нажимают один раз на её левую кнопку. Необходимый для создания схемы значок (символ) компонента переносят из каталога на рабочее поле программы движением мыши при нажатой левой кнопке, после чего кнопку отпускают (для фиксирования символа) и дважды щёлкают по значку компонента. В раскрывающемся диалоговом окне устанавливают требуемые параметры (сопротивление резистора, тип транзистора и т. д.) и подтверждают выбор нажатием кнопки Accept или клавиши Enter. Для изменения номинала компонента дважды щёлкают мышью по символу его графического изображения и в раскрывающееся после этого окно внjсят изменения.

После размещения компонентов их выводы соединяют проводниками (к каждому выводу можно подключить только один проводник). Для этого курсор мыши подводят к выводу компонента, после появления круглой площадки чёрного цвета нажимают левую кнопку и протягивают появившийся при этом проводник к выводу другого компонента до появления на нём такой же круглой площадки, после чего кнопку мыши отпускают.

При необходимости подключения к этим выводам других проводников в библиотеке Basic выбирают точку (символ соединения) и переносят на ранее установленный проводник. Чтобы точка почернела (первоначально она имеет красный цвет), щёлкают мышью по свободному месту рабочего поля. Если эта точка действительно имеет электрическое соединение с проводником, то она становится чёрной. Если на ней виден след от пересекающего проводника, то электрического соединения нет, точку необходимо установить заново. После удачной установки к точке соединения можно подключить ещё два проводника.

Если соединение нужно разорвать, курсор подводят к одному из выводов компонентов или точке соединения и при появлении площадки нажимают на левую кнопку, проводник отводят на свободное место рабочего поля, кнопку отпускают. Если необходимо подключить вывод к имеющемуся на схеме проводнику, то проводник от вывода компонента курсором подводится к указанному и после появления точки соединения отпускают кнопку мыши.

Следует отметить, что прокладка соединительных проводников производится автоматически, причём препятствия – компоненты и другие проводники – огибаются по ортогональным направлениям (по горизонтали или вертикали). Подключение к схеме контрольно-измерительных приборов производят аналогично. Причём для таких приборов, как осциллограф или логический анализатор, соединения целесообразно проводить цветными проводниками, поскольку цвет определяет цвет соответствующей осциллограммы.

Загрузку и запись созданных программ производят стандартным для Windows образом:

1. Командой File>Open загружают на рабочее поле импортируемую схему стандартным образом.

2. Командой File>Save As записывают в файл создаваемую схему, указав его имя в аналоговом окне (расширение имени файла указывать не обязательно, программа сделает это автоматически).

В загрузочной папке EWB находится большое количество примеров работоспособных схем. Загрузить эти схемы можно так: File>Open>EWB512>CIRCUITS и выбрать нужную схему.

 

2. Создание схем

2.1. Электрический фонарик. Для начала создадим простейшую схему электрического фонарика. Берём из библиотеки Indicators лампу накаливания и помещаем её на рабочее поле. По умолчанию эта лампа имеет мощность 10 Вт и рассчитана на напряжение 12 В. Аналогично помещаем на рабочее поле источник тока (его напряжение по умолчанию 12 В), а из библиотеки Sourses – выключатель из библиотеки Basic. После этого соединяем эти детали проводниками. В результате на рабочем поле будет собрана схема, изображённая на левой части рисунка. Обратите внимание на то, что около переключателя находится надпись Space. Это означает, что для включения и выключения цепи надо нажимать клавишу Пробел. При желании можно для переключателя выбрать в Свойствах переключателя любую клавишу.

Для включения питания нажимаем в правой верхней части рабочего поля кнопку 0/I, а потом клавишу Space, и лампочка становится чёрной (см. правую схему на том же рисунке). Если напряжение источника тока больше рабочего напряжения лампы, то лампа перегорает – нить накала разрушается. Попробуйте это сделать, увеличив напряжение источника тока.

А теперь для измерения силы тока в лампе и напряжения на ней подключим к схеме амперметр и вольтметр. Анализируя полученный результат, можно сделать вывод, что внутреннее сопротивление источника тока равно нулю, т. к. напряжение на лампе равно напряжению источника тока, а сила тока точно равна расчётной I = P/U = = 10 W/12 V = 833,3 mA.

2.2. Задача на законы Кирхгофа. Схемы на последовательное, параллельное и смешанное соединения проводников я рассматривал в предыдущих статьях. Поэтому, чтобы не повторяться, предлагаю вашему вниманию задачу № 18.32 на законы Кирхгофа [2].

• В цепи, изображённой на рисунке, найти силу тока в каждой ветви, если ЭДС источников тока равны ₁ = 1 В, ₂= 3 В, ₃ = 5 В, а сопротивления R₁ = 2 Ом, R₂ = 4 Ом, R₃ = 2 Ом. Внутренним сопротивлением источников тока пренебречь.

Решение. Используя I и II законы Кирхгофа, получаем: I₁ = 0,4 A, I₂ = 1,2 A, I₃ = 1,6 A.

Собираем схему в EWB и получаем при округлении практически такие же значения. Небольшие различия возникают потому, что компьютер считает по совершенно другим алгоритмам, т. е. несколько иначе, чем человек.

У меня ученики, таким образом, с успехом используют EWB дома при подготовке домашнего задания по физике. Иногда я практикую сборку таких схем по задачам на электрические цепи на факультативных занятиях. Методика простая: сначала ребята решают на бумажке, а потом проверяют себя, собрав электрическую цепь в EWB. Если ответ сходится, ученик получает законно заработанную пятёрку.

2.3. Изучение односторонней проводимости полупроводниковых диодов. Для изучения односторонней проводимости полупроводникового диода соберём схему, изображённую в верхней части рисунка и состоящую из полупроводникового диода, лампы накаливания, источника тока и выключателя. Как видно из схемы, полупроводниковый диод включён так, что полупроводник р-типа подключён к «плюсу» источника тока, полупроводник n-типа – к «минусу». При замыкании цепи лампа накаливания загорается, следовательно, диод проводит электрический ток. Если диод включить наоборот, как показано в нижней части рисунка, то ток течь не будет. В этом можно убедиться, если замкнуть цепь. Действительно, лампа не горит. Таким образом, эксперимент позволяет продемонстрировать одностороннюю проводимость полупроводникового диода.

2.4. Изучение усилительных свойств транзисторов. Собираем схему по рисунку. Нам понадобятся транзистор, конденсатор, два постоянных резистора, источник тока, функциональный генератор и двухлучевой осциллограф. В качестве транзистора используем n–p–n-транзистор VT1. К его базе подсоединяем разделительный конденсатор С1 и резистор R1. Верхний конец резистора R1 соединяем с «плюсом» источника тока. Этот резистор необходим для того, чтобы создать на базе транзистора небольшое положительное напряжение смещения. В этом случае при отсутствии внешнего сигнала на базе транзистора транзистор открыт и через него течёт электрический ток. Разделительный конденсатор С1 необходим для того, чтобы от внешнего источника сигнала на базу транзистора VT1 не попадала постоянная составляющая усиливаемого сигнала. Коллектор VT1 через резистор R2 соединяем с «плюсом» источника тока.

Слабый сигнал, который необходимо усилить, подаём на базу транзистора VT1 через разделительный конденсатор С1 c функционального генератора. Генератор вырабатывает сигналы синусоидальной, треугольной и прямо­угольной форм в большом диапазоне частот и амплитуд. В данном примере форма усиливаемого сигнала синусоидальная, частота 50 Гц, напряжение 11 мВ. Этот же сигнал подаём на вход А осциллографа, а на вход В осциллографа – усиленный сигнал с коллектора транзистора. При включении схемы на экране осциллографа появляются две синусоиды: одна с небольшой амплитудой (входной сигнал), другая – с большой (выходной сигнал).

Для получения такой картины необходимо подобрать частоту синхронизации (0,02 s/Div) и цены деления канала А (50 mV/Div) и канала В (2 V/Div). Изменяя сопротивление резистора R1, можно изменять коэффициент усиления схемы усилителя на транзисторе. Для получения ещё большего усиления в схему можно добавить ещё один транзистор, подключив его последовательно с первым, такой же конденсатор и ещё два резистора.

2.5. Усилитель на операционном усилителе (ОУ). В современных электронных устройствах всё большее применение находят ОУ – устройства с большим количеством транзисторов и резисторов. Они называются «операционными», потому что, включая их в схему по-разному, можно не только усиливать сигналы постоянного и переменного токов, но и сравнивать их, дифференцировать, интегрировать и т. п., т. е. осуществлять самые разнообразные математические операции. Более подробно об ОУ см. в электронном приложении.

2.6. Демонстрация работы логических элементов. Работа всех вычислительных устройств, начиная от простейшего калькулятора и кончая суперкомпьютерами, осуществляется с помощью логических элементов. Основными являются элементы «И», «ИЛИ», «НЕ» и их комбинации. Есть и более сложные цифровые элементы – триггеры, шифраторы, дешифраторы и т. д.

Рассмотрим работу простейшего логического элемента «И». Он имеет два входа (1 и 2) и один выход (В). Если подать логическую «1» (напряжение 5 В) только на один вход (1 или 2), то на выходе будет логический «0» (напряжение 0 В). Но если логическую «1» подать на оба входа, то на выходе будет логическая «1» (напряжение 5 В).

Собираем схему из логического элемента «И», источника питания для получения логической «1» на входах, двух переключателей и светодиода, который загорается, если на выходе логического элемента будет логическая «1». Верхний переключатель срабатывает при нажатии клавиши Space (пробел), а нижний – при нажатии клавиши Enter.

На рис. а оба переключателя выключены, следовательно, на обоих входах ло­гического элемента – логические «0»: на выходе тоже «0», светодиод не горит. На рис. b на первый вход подаётся логическая «1» через верхний переключатель, на второй – логический «0»: на выходе – логический «0», светодиод не горит. На рис. с на первый вход подаётся логический «0», на второй – логическая «1»: на выходе – логический «0», светодиод не горит. На рис. d на оба входа подаются логические «1»: на выходе появляется логическая «1», светодиод загорается. Аналогично можно проверить работу и других логических элементов и цифровых микросхем, а также исследовать довольно сложные схемы, которые хранятся в библиотеке EWB.

В последнее время мои ученики, собирающие электрические схемы для своих учебно-исследовательских работ, сначала собирают их в EWB, налаживают и после этого собирают на макетных платах. Это позволяет значительно сэкономить время. Кроме того, при сборке схем в EWB у школьников возникают новые идеи и в связи с этим новые варианты устройств, с помощью которых они будут проводить свои эксперименты с целью исследования изучаемых физических процессов.

Программа бесплатная. Скачать её можно с сайта www.radioman-portal.ru. Если у читателей возникнут проблемы с использованием EWB, то напишите мне, и я вам помогу.

 

Литература

1. Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. М.: Солон-З, 1999.
2. Сборник задач по курсу общей физики / Под ред. М.С. Цедрик. М.: Просвещение, 1989.

Продолжение следует