Ein sehr einfacher Computer

TEILE UND MATERIALIEN

• Drei Batterien, jede mit einer anderen Spannung
• Drei gleich große Widerstände, jeweils zwischen 10 kΩ und 47 kΩ

Messen Sie bei der Auswahl der Widerstände jeden mit einem Ohmmeter und wählen Sie drei aus, die im Wert am nächsten liegen. Präzision ist bei diesem Experiment sehr wichtig!

QUERVERWEISE

Lektionen in Stromkreisen , Band 1, Kapitel 10:„DC-Netzanalyse“

LERNZIELE

• Um zu bestimmen, wie ein Widerstandsnetzwerk als Spannungssignalmittelwertbildner funktionieren kann
• Um die Anwendung von Millmans Theorem zu veranschaulichen

SCHEMATISCHES DIAGRAMM

ILLUSTRATION

ANLEITUNG

Diese täuschend grobe Schaltung übernimmt die Funktion der mathematischen Mittelung drei Spannungssignale zusammen und erfüllt so eine spezielle Rechenaufgabe. Mit anderen Worten, es ist ein Computer, der nur eine mathematische Operation ausführen kann:den Mittelwert von drei Größen zusammen.

Bauen Sie diese Schaltung wie abgebildet auf und messen Sie alle Batteriespannungen mit einem Voltmeter. Schreiben Sie diese Spannungswerte auf Papier und mitteln Sie sie zusammen (E₁ + E₂ + E₃ , geteilt durch drei). Wenn Sie jede Batteriespannung messen, lassen Sie die schwarze Testsonde mit dem „Masse“-Punkt verbunden (die Seite der Batterie, die durch Überbrückungskabel direkt mit den anderen Batterien verbunden ist) und berühren Sie die rote Sonde mit dem anderen Batteriepol. Polarität ist hier wichtig! Sie werden feststellen, dass eine Batterie im Schaltplan „rückwärts“ mit den anderen beiden verbunden ist, negative Seite „oben“. Die Spannung dieser Batterie sollte bei der Messung mit einem richtig angeschlossenen digitalen Messgerät als negativer Wert angezeigt werden, während die anderen Batterien positiv messen.

Wenn das Voltmeter an der im Schaltplan und in den Abbildungen gezeigten Stelle an den Stromkreis angeschlossen ist, sollte es den algebraischen Durchschnitt der drei Batteriespannungen registrieren. Wenn die Widerstandswerte so gewählt werden, dass sie sehr gut aufeinander abgestimmt sind, sollte die „Ausgangsspannung“ dieser Schaltung ebenfalls sehr gut mit dem berechneten Durchschnitt übereinstimmen.

Wenn eine Batterie abgeklemmt wird, entspricht die Ausgangsspannung der durchschnittlichen Spannung der verbleibenden Batterien. Wenn die Überbrückungsdrähte, die früher die entfernte Batterie mit dem Durchschnittsstromkreis verbunden haben, miteinander verbunden sind, mittelt der Stromkreis die beiden verbleibenden Spannungen zusammen mit 0 Volt, wodurch ein kleineres Ausgangssignal erzeugt wird:

Die schlichte Einfachheit dieser Schaltung hält die meisten Leute davon ab, sie als "Computer" zu bezeichnen, aber sie führt unbestreitbar die mathematische Funktion der Mittelwertbildung aus. Er führt diese Funktion nicht nur aus, sondern auch viel schneller als jeder moderne Digitalcomputer! Digitale Computer, wie beispielsweise Personalcomputer (PCs) und Drucktastenrechner, führen mathematische Operationen in einer Reihe von diskreten Schritten durch. Analoge Computer führen kontinuierlich Berechnungen durch und nutzen die Ohmschen und Kirchhoffschen Gesetze für arithmetische Zwecke, die „Antwort“ berechnet sich so schnell wie sich die Spannung durch die Schaltung ausbreitet (idealerweise mit Lichtgeschwindigkeit!).

Mit dem Hinzufügen von Schaltungen namens Verstärker können Spannungssignale in analogen Computernetzwerken verstärkt und in anderen Netzwerken wiederverwendet werden, um eine Vielzahl mathematischer Funktionen auszuführen. Solche analogen Computer zeichnen sich durch die Rechenoperationen der numerischen Differenzierung und Integration aus und können als solche verwendet werden, um das Verhalten komplexer mechanischer, elektrischer und sogar chemischer Systeme zu simulieren. Einst waren analoge Computer das ultimative Werkzeug für die Ingenieurforschung, wurden aber seitdem weitgehend von der digitalen Computertechnologie verdrängt. Digitale Computer haben den Vorteil, mathematische Operationen mit viel höherer Präzision auszuführen als analoge Computer, wenn auch mit viel geringeren theoretischen Geschwindigkeiten.

COMPUTER-SIMULATION

Schema mit SPICE-Knotennummern:

Netzliste (erstellen Sie eine Textdatei mit dem folgenden Text, wörtlich):

Spannungsmittelwerter 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 

Mit dieser SPICE-Netzliste können wir einen digitalen Computer zwingen, einen analogen Computer zu simulieren, der drei Zahlen zusammen mittelt. Natürlich tun wir dies nicht für die praktische Aufgabe der Mittelwertbildung, sondern um mehr über Schaltungen und Computersimulationen von Schaltungen zu lernen!

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Arbeitsblatt zum Theorem von Millman