Лабораторный практикум разработан для дисциплины «Аналоговые и гибридные вычислительные устройства» тех специальностей высших учебных заведений, в которых студентам преподают методы расчета и проектирования динамических объектов с применением аналоговых, дискретных и цифровых вычислительных устройств.
В мировой практике принято, что прежде, чем приступать к изготовлению макетов или опытных образцов разработанного устройства, сначала исследовать его математическое описание на вычислительной модели, изучить поведение последней в различных режимах, выявить и устранить ошибки расчетов. Только после этого принимается решение на изготовление.
Решить задачу функционирования в различных режимах объекта в целом, используя обычные расчеты на цифровых вычислительных машинах отдельных узлов, фрагментов или деталей создаваемого объекта, практически невозможно. В большинстве случаев программирование объединенной математической модели функционирования всей системы для одноразового исследования подобных объектов оказывается экономически не выгодным.
Альтернативой глобальному программированию сложного объекта явилось использование аппаратной или программной вычислительной среды для моделирования систем математических уравнений и соотношений. В такой вычислительной среде создается набор операционных блоков для линейного или нелинейного преобразования переменных и мнемонический интерфейс для построения схем, задания параметров блоков и параметров представления результатов. Операционное ядро трансформирует заданную схемой структуру, превращая ее в вычислительную модель объекта.
До последнего времени в операционных блоках переменные представлялись электрическими напряжениями в диапазоне +10 В. Математические операции и преобразования аналоговые блоки выполняли одновременно. Мгновенная передача выходных напряжений соседним блокам обеспечивала высокое быстродействие физически реализованным вычислительным структурам. Возможность вычислений в реальном времени позволяла организовывать работу вычислительных моделей устройств в составе действующего динамического объекта.
С другой стороны, если отсутствует необходимость испытаний объекта в реальном времени, то его вычислительную модель можно построить из операционных блоков, которые являются цифровыми моделями базовых математических операций. Главным достоинством такой моделирующей среды является то, что, она позволяет применять хорошо отработанные в прошлом методы построения вычислительных моделей, и предоставляет для обработки результатов весь арсенал средств визуализации, обработки, оформления и документирования современных цифровых вычислительных машин.
В предлагаемом практикуме используется моделирующая среда, созданная на базе программного пакета схемотехнического моделирования электронных аналого-цифровых устройств Micro-Cap V для Windows.
Набор псевдо операционных блоков работает с переменными на входе и выходе, имеющими размерность электрического напряжения (Вольт), а все электрические компоненты в схемах представлены в обычных физических единицах (Ом, Фарада, Генри, секунда ...). Таким образом, создана максимально полная иллюзия исследования моделей на аналоговых и гибридных вычислительных машинах, которые и в прошлом и сейчас аппаратно создаются и функционируют в электротехнической среде. Так как функциональные схемы моделей имеют исторически сложившиеся графические обозначения, соответствующие ЕСКД, то все изображения операционных блоков в практикуме приближены к стандартному виду.
Учебное пособие включает в себя основные сведения из электротехники, электроники и математики, необходимые для успешного усвоения расчетных, проектных и исследовательских методик читаемого курса «Аналоговые и гибридные вычислительные устройства».
Описана последовательность подготовки и выполнения лабораторных исследований методом аналогового моделирования для нескольких схемных объектов и нескольких математических моделей.
Дано краткое описание на русском языке адаптированной под лабораторный практикум системы схемотехнического моделирования Micro-Cap V для Windows, которое охватывает практически все режимные функции этой системы.
Приводится справочная информация для выполнения расчетов и информация по оформлению законченных работ. Помещены схемные реализации псевдо операционных блоков, которые могут служить примерами построения любых других операционных модулей.
Для нескольких лабораторно-практических работ приведены примеры их подготовки, исследования и оформления.
