Архив Галактики

Практикум по NI myDAQ. #7

Копосов Д.Г. / 02.07.2015

Данным постом мы продолжаем знакомство с практикумом, который позволит использовать NI myDAQ в качестве методического инструмента учителя...
...предыдущая часть...

2.14. Проверка цифровых линий myDAQ
Современная компьютерная и интеллектуальная бытовая техника оперирует с цифровыми сигналами. С точки зрения диагностики электронных схем очень важной является возможность записи и считывания сигналов по цифровым линиям. Цифровые линии (lines) обозначены 0–7. Любая линия может быть выставлена либо в состояние логической 1 (HI), либо 0 (LO). Все вместе эти 8 линий составляют 1 порт (port).

Задание 37. Используя указанные ниже иллюстрации, соберите электрическую цепь для проверки работы цифровых выходов NI myDAQ.

Задание 38. Рассчитайте мощность, которую потребляет собранная электрическая цепь. Сравните с максимальной мощностью для myDAQ.

2.15. Светодиод и токоограничивающий резистор
Светодиод — вид диода, который излучает свет, когда через него проходит ток. Энергоэффективен, надежен, долговечен.
Диод — электронный прибор, проводящий ток только в одном направлении.
Светодиод или светоизлучающий диод (LED — Light-emitting diode) — полупроводниковый элемент, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока в прямом направлении: от анода (+) к катоду (−).

Изобретатель светодиода — русский физик Олег Владимирович Лосев. В 1927 году Лосев запатентовал «световое реле». Это была первая идея использование светодиодов в целях коммуникации. В 1938 году за исследования по электролюминесценции Олегу Владимировичу присвоена ученая степень кандидата физико-математических наук (без защиты диссертации).

Светодиод рассчитан на диапазон токов, и без резистора, который будет ограничивать ток, проходящий через светодиод, он перегорит. Важно заметить, вопрос как устанавливать резистор «до» или «после» — не важен (см. иллюстрацию).

Важно правильно рассчитать, какой резистор R в приведенной схеме нам нужно взять. Т.е. найти оптимальное сопротивление резистора и допустимую мощность.
При использовании устройства myDAQ возможны 3 сценария, определенные напряжением на источнике питания: 9 В, 5 В и 3,3 В.
В нашем случае светодиод имеет следующие характеристики:

I_LED = 20 мА, U_LED = 2,3 В.

Светодиод — нелинейный элемент, его сопротивление зависит от силы тока и напряжения. Указанные параметры обеспечивают максимальную яркость светодиода.

9 В

Т.к. в цепи резистор и светодиод подключены последовательно, то:
1) U_R = 9 В – 2,3 В = 6,7 В;
2) сила тока в цепи одинакова: I_LED = I_R = 20 мА.

3.3 В

1) U_R = 3,3 В – 2,3 В = 1 В;
2) сила тока в цепи одинакова, однако, в этом случае: I_LED = I_R = 4 мА.
Цифровые вводы/выводы рассчитаны на максимальный ток в 4 мА — это указано в руководстве.

Далее по закону Ома нужно найти значение сопротивления, которое обеспечит такое падение напряжения:

Таким образом:

если выбрать резистор, сопротивление которого больше полученного значения, то яркость светодиода будет ниже заявленной в технической документации;
при выборе резистора с сопротивлением меньше полученного — срок службы светодиода будет сокращаться.

Естественно, мы выберем резистор большего сопротивления.

Найдем мощность, которую будет рассеивать резистор.

Важно, чтобы вычисленное значение было меньше мощности, на кото-рую рассчитан резистор, иначе он перегорит. Все резисторы, которые находятся в вашем наборе, рассчитаны на максимальную мощность 0,25 Вт.

Задание 39. Самостоятельно рассчитайте токоограничивающий резистор для светодиода в случае использования источника тока на 5 В.

2.16. Осциллограф
Кроме задач отслеживания значений токов и напряжений, возникает необходимость рассмотреть работу цепи в динамике. Для этих целей используют осциллограф — прибор, предназначенный для исследования (наблюдения, записи, измерения) амплитудных и временных параметров электрического сигнала, подаваемого на его входы.
Основной функцией любого осциллографа является отображение зависимости входного сигнала либо от времени, либо от другого сигнала, что позволяет наблюдать и исследовать формы сигналов.
Это один из важнейших приборов в радиоэлектронике. Он используется в лабораторных, научно-исследовательских и прикладных целях для контроля и изучения электрических сигналов.
Осциллографы разделяются на одноканальные и многоканальные (2, 4, 6, и т. д. каналов на входе). Используемый в myDAQ осциллограф двухканальный, т.е. он позволяет наблюдать одновременно два отдельных сигнала (на входах AI 0 и AI 1), что позволяет сравнивать сигналы между собой по форме, амплитуде, частоте и пр.

В 1885 году казанский физик Роберт Андреевич Колли создал первый прибор для наблюдения электрических сигналов — осциллометр. В 1893 году французский физик Андре Блондель изобрел магнитоэлектрический осциллоскоп. В 1897 году немецким физиком Карлом Брауном был создан катодно-лучевой прибор для индикации формы электромагнитной волны. В 1907 году Л. И. Мандельштам разработал схему и получил пилообразное напряжение для развертки осциллограммы.
С начала XX века осциллографы появляются во всех электротехнических лабораториях.
Как бы ни развивалась электроника, для создания и настройки новых приборов необходимо визуальное наблюдение сигналов.

Задание 40. Подключите микрофон к входу AudioIn, запустите программу цифрового осциллографа и исследуйте стерео сигнал, получаемый с микрофона. Постарайтесь определить, во время какого звука был сделан нижеприведенный снимок экрана.

2.17. Конденсатор. Зарядка и разрядка
Конденсатор — накопитель электрических зарядов. Плоский конденсатор представляет собой систему из двух металлических электродов — пластин (обкладок), расположенных на небольшом расстоянии друг от друга. Между пластинами находится воздух или какой-либо другой изолятор (слюда, керамика, парафинированная бумага и т. д.).
Если конденсатор присоединить к источнику постоянного тока, то на его пластинах появятся равные по модулю и противоположные по знаку электрические заряды. Способность конденсатора накапливать электрический заряд определяется формулой: q = C∙U, где С — электрическая емкость конденсатора.

Задание 41. Соберите схему для изучения процесса зарядки и разрядки конденсатора. Запустите программу цифрового осциллографа. Настройте его параметры. Нажимая поочередно кнопки, исследуйте осциллограмму процессов зарядки/разрядки конденсатора.

Если подаваемое напряжение больше внутреннего накопленного, конденсатор будет заряжаться. Если внешнее напряжение меньше — конденсатор будет отдавать заряд. Скорости изменения тока и напряжения при переходном процессе характеризуются временем релаксации
τ = R∙C (время установления стационарного состояния).
За τ секунд конденсатор заряжается или разряжается примерно на 63%, за 5∙τ секунд конденсатор заряжается или разряжается на 99%. Чем больше R и С, тем медленнее происходит заряд или разряд конденсатора.

...продолжение...