Desktop / Рефферат

О ЧЁМ РАБОТА? !

В данной работе было проведено экспериментальное изучение физического объекта на лабораторной установке, где управление экспериментом, а так же получение и обработка информации производилась на ПК. Такое исследование было реализовано при помощи измерительно-вычислительной системы, а в качестве физического объекта был выбран физический маятник. При помощи созданной установки были получены данные скорости, периода, относительного изменения скорости, путь за полупериод и ещё несколько параметров при малых колебаниях физического маятника.

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ !

В работе мне пришлось решить несколько задач:

• во-первых, собрать подвес маятника (совместно с Романовым Алексеем)

• во-вторых, ознакомиться с принципами работы последовательного порта (считывание из порта)

• в-третьих, ознакомиться с принципами программирования микроконтроллеров и прошить микроконтроллер ATmega328

• в-четвёртых, спаять устройство отслеживающее прохождение маятника в нижней точке траектории именуемое «световые ворота»

• в-пятых, написать программу для удобного управления и снятия показаний

• в-шестых, решить проблему медленного сбора данных

ТЕОРИЯ ИВС !

Измерительно-вычислительная система (ИВС) представляет собой совокупность аппаратных и программных средств для автоматизации проведения физического эксперимента. Под автоматизацией подразумевается сбор, хранение и накопление информации, а также управление экспериментом и процессом измерения посредством единого (стандартизованного) средства связи в системе исследователь - физический процесс (объект).

Конкретная реализация ИВС в каждом случае своя, однако, можно выделить ряд общих для каждой системы функциональных узлов и параметров. Конструктивно ИВС обычно состоит из трёх основных частей: компьютера; интерфейсного блока (ИБ), содержащего большую часть устройства ИВС; совокупности датчиков параметров и исполнительных устройств. Состав последней части напрямую зависит от характера измерений и объекта исследования, т.е. от конкретной задачи. Датчиками параметра могут быть фотодиоды, фотоумножители, ПЗС матрицы, термопары, динамические головки и т.д. В качестве исполнительных устройств могут использоваться электромагниты, различные двигатели, реле, электронные ключи, нагреватели и т.д. Интерфейсный блок является наиболее важной частью ИВС, т.к. осуществляет преобразование информации и исполнение команд при передаче в направлении объект -> компьютер и компьютер -> объект. Интерфейсный блок обычно содержит АЦП, ЦАП и согласующие устройства (СУ).

Основное назначение ИВС - автоматизация проведения эксперимента.

ПРИНЦИП ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ВНАЛОГОВОЙ ИНФОРМАЦИИ В ЦИФРОВУЮ !

Основной принцип положенный в основу работы АЦП – это переход от непрерывных величин к дискретным. В АЦП исходными непрерывными величинами, которые требуют преобразования, являются напряжение (ток) и вперяя, поскольку любой аналоговый сигнал можно изобразить в виде непрерывного процесса во времени, т.е. как функцию U(t). На выходе АЦП мы получаем набор дискретных значений, когда (набор цифр) через определённые промежутки времени (рис.1.2.). Весь диапазон допустимых выходных напряжений АЦП квантуется на N фиксированных отчётов, т.е. вся шкала напряжений делится на N равных частей и одна из этих частей называется шагом квантования Δh.

Потери обусловлены конечностью Δh и Δt (при Δh и Δt → 0 переходим к непрерывному сигналу). Число N обычно лежит в диапазоне от до и принимает фиксированные значения , , , , , причём диапазон входного напряжения может быть от -5В до +5В или менее.

Для минимизации ошибок, связанных с дискретизацией во времени необходимо, чтобы частота преобразования (число отсчётов в единицу времени) была гораздо больше максимальной частоты аналогового сигнала. По крайней мере, максимальная частота сигнала должна быть не менее чем в два раза меньше частоты дискретизации. В этом случае возможно (теоретически) полностью восстановить исходный сигнал.

(ТЕОРЕМА КОТЕЛЬНИКОВА)

Если аналоговый сигнал имеет конечный (ограниченный по ширине) спектр, то он может быть восстановлен однозначно и без потерь по своим отсчётам, взятым с частотой, строго большей удвоенной верхней частоты :

РЕГИСТРЫ АЦП, ДАТЧИКОВ И СУ

При работе с одноканальными АЦП существуют как минимум две информационные линии обмена: сигнала готовности АЦП и непосредственно данных. Сигнал готовности несёт информацию о состоянии АЦП в каждый момент времени. Необходимость его анализа, при работе АЦП очевидна, т.к. если просто постоянно считывать данные, то наверняка получим повторную информацию, т.е. возникает ситуация, когда данные ещё не обновились, а АЦП уже снова опрашивается. Проще говоря, компьютер в этом случае работает гораздо быстрее системы сбора данных (ССД) АЦП и необходимо сделать задержку, чтобы «подождать» АЦП (время обращения компьютера к ИБ меньше времени дискретизации АЦП). Если сигнал готовности имеет значение 1, это означает что преобразование завершено и АЦП готов к считыванию, если 0, - то не готов. Следовательно для считывания из АЦП необходимо двух выделенных совокупностей портов: порт, адресующий регистр(ы) данных и порт регистра состояния АЦП. Кроме описания двух информационных линий, при работе с АЦП может так же использоваться сигнал запуска АЦП. Он необходим в тех системах, где АЦП работает не постоянно, а в режиме «старт – стоп». По пришествии данного сигнала начинается процесс единичного преобразования, по завершению которого АЦП переходит в состояние ожидания следующего такого сигнала.

(ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ АДАПТЕР)

2.1. Краткая теория.

Объект изучения представляет собой математический маятник: шарик массы m, радиуса R, подвешенный на нити длиной l и совершающий колебательные движения, при этом с помощью датчика измеряется скорость шарика в нижней точке траектории. Массу и радиус шарика можно варьировать в процессе эксперимента. Возникающая при движении шарика сила сопротивления приводит к уменьшению скорости u со временем, т.е. колебания носят затухающий характер, причем если сопротивление обусловлено вязким трением с коэффициентом вязкости h, то со-

гласно формуле сила сопротивления

.. .

x + g x +w x = , (2.1)

где 1/ 2

0 w = (g / l) - частота колебаний, g = a /m, -коэффициент затухания

(декремент) колебаний.

Решение уравнения (2.1) имеет вид произведения гармонической

функции на затухающую экспоненту:

exp( )sin( ) 0 0x = x -g t w t . (2.2)

Очевидно, что выражение для скорости .

x можно представить в ана-

логичной форме: u =

×x

= B(t) exp(-g t), где B(t) - тоже гармоническая функ-

ция. Следовательно, регистрируя скорость шарика в одной и той же фазе

колебаний, например, в нижней точке траектории, мы получим экспонен-

циальную зависимость от времени. Угол наклона графика этой зависимо-

сти в полулогарифмическом масштабе определяет величину g . Экспонен-

циальная зависимость в формуле (2.2) может нарушаться при изменении

характера трения, когда сила F

r

не пропорциональна ur , а также при негар-

моническом характере колебаний, в частности, изменении периода коле-

баний со временем.