XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Не для кого не секрет, что ручной и умственный труд способствует развитию умственных способностей. Люди приобретают умение не только работать с различными материалами и ресурсами, но и учатся сотрудничеству и деятельности в группе, искать необходимую информацию, приобретать новые полезные навыки и самосовершенствоваться в новом деле. Наш проект основан на довольно интересной задумке: создание рабочего места машиниста тепловоза с соответствующим функционалом в виде возможности управления локомотивом с помощью настоящих кнопок, кранов, тумблеров и рычагов. Наше изделие пока очень далеко от финальной стадии, но тем не менее рассказать о нём мы можем уже сейчас.

Идея появилась спонтанно: однажды в полудреме меня разбудила идея: «если Михаил не идет к тепловозу, то тепловоз придет к Михаилу, и почему бы мне не сделать приборную панель тепловоза у себя на столе, сохранив при этом все тактильные ощущения от органов управления настоящего локомотива.»

Прототипом тренажёра выступил тепловоз серии 2ТЭ10у и на это есть ряд причин:

Во-первых приборную панель такого тепловоза воспроизвести легче из за форм, размеров и расположения тумблеров

Во-вторых локомотивы этой серии работают на ЮУЖД, следовательно навыки управления тренажёром могут пригодиться и в реальности

В-третьих приборная панель вместе с краном расположена довольно компактно, что позволит сделать все детали в масштабе 1:1

Далее будет представлен процесс изготовления некоторых деталей из подручных материалов, а также описание этих самых деталей.

Для начала неплохо бы узнать что мы вообще делаем и зачем, а для этого надо познакомиться с рабочим местом настоящего машиниста тепловоза серии 2ТЭ10

Рис. 1 Кабина машиниста тепловоза серии 2ТЭ10

1 - бытовой холодильник, 2- панель приборов, 3- держатель; 4- пульт радиостанции и переговорного устройства; 5 - зеркало обзора состава; 6 - шторка; 7- дверка корпуса прожектора; 8 - графикодержатель; 9-пульт управления; 10- лампа подсветки шкалы скоростимера; 11 - скоростимер; 12-кран машиниста; 13-панель сигнальных ламп; 14-пепельница; 15 - сиденье откидное; 16- кресло машиниста

Мы же будем моделировать только кранмашиниста, приборную панель и пульт управления (он же контроллер)

Хорошо, когда есть стремление сделать нечто необычное и интересное своими руками, а еще лучше, когда есть возможность эту самую идею реализовать. Изначально была лишь идея без возможности реализации, но вскоре я познакомился с одним из преподавателей КИЖТ УрГУПС – Остапчуком А.К. по наводке нашего куратора. Пришел я к нему с простой, типичной, а главное идейной просьбой – достать кран машиниста №395. Он ответил, что это возможно и нужно лишь ждать. И вот, спустя 3 месяца кран у меня в руках. Сказать, что я был доволен – ничего не сказать. Притащив его домой, я первым делом его отмыл и разобрал, а после стал думать как его реализовать.

Вскоре пришла идея вставить 2 потенциометрав обе части крана так, чтобы они прокручивались в разные стороны, тем самым обеспечив адекватную поворотливость крана, а все кнопки на доноре перепаять под тумблера

Тумблером называется малогабаритный переключатель на два или три положения с рычажно-пружинным приводом. Отличительной особенностью тумблера является наличие рычажка для изменения состояния контактов. Рычаг может изготавливаться как из пластмассы, так и из металла.

Рис.2 Обозначение тумблера на схеме

Потенциометры — это регулируемые делители напряжения, которые предназначены для регулирования напряжения при неизменной величине тока, и выполненные по типу переменного резистора. На выводы резистивного элемента подается напряжение, которое предполагается регулировать. Подвижный контакт является регулирующим элементом, который приводится в действие вращением ручки. От подвижного контакта снимается напряжение, которое может находиться в диапазоне от нуля до наибольшей величины, равной входному напряжению на потенциометр, и зависит от текущей позиции подвижного контакта. Проще говоря, потенциометр меняет сопротивление

Сопротивление — это величина, которая отражает противодействие протеканию тока в электрической цепи.

Вычисляется по формуле:

R=ρl/S,

где: R — сопротивление (Ом);

ρ — удельное сопротивление проводника (Ом*м);

Под удельным сопротивлением проводника понимают его сопротивление при длине, равной 1 метру, и площади поперечного сечения 1мм2.

l — длина проводника (м);

Приступил к реализации и отлил из термоклея опалубку для ручки верхнего потенциометра, вскоре вклеил её на место. Нижний потенциометр же я решил вставить на опору у основания крана. Получилось, конечно, не сразу, но тем не менее сигнал стал проскакивать.

Как позже выяснилось, он оказался аналоговым и не подходил для наших целей. Нужен более специализированный для этого цифровой сигнал.

А в чём разница? Аналоговый сигнал — сигнал данных, у которого каждый из представленных параметров описывается функцией времени и непрерывным множеством возможных значений.

Цифровой сигнал — сигнал, который можно представить в виде последовательности дискретных (цифровых) значений. В наше время наиболее распространены двоичные цифровые сигналы (битовый поток) в связи с простотой кодирования и используемостью в двоичной электронике.

А как определить, сигнал аналоговый, или цифровой? Все очень просто – нужно всего лишь воспользоваться одним замечательным прибором – осциллографом.

Осцилло́граф (лат. oscillo — качаюсь + греч. γραφω — пишу) — прибор, предназначенный для исследования (наблюдения, записи, измерения) амплитудных и временны́х параметров электрического сигнала, подаваемого на его вход, и наглядно отображаемого (визуализации) непосредственно на экране либо регистрируемого на фотоленте. Один из важнейших приборов в радиоэлектронике. Используются в прикладных, лабораторных и научно-исследовательских целях, для контроля/изучения и измерения параметров электрических сигналов — как непосредственно, так и получаемых при воздействии различных устройств/сред на датчики, преобразующие эти воздействия в электрический сигнал или радиоволны.

Осциллограф с дисплеем на базе ЭЛТ состоит из следующих основных частей:

Осциллографическая электронно-лучевая трубка;

Блок горизонтальной развёртки. Генерирует периодический или однократный сигнал пилообразной формы (линейно нарастающий и быстро спадающий), который подаётся на пластины горизонтального отклонения ЭЛТ. Во время спадающей фазы (обратный ход луча) также формируется импульс гашения электронного луча, который подаётся на модулятор ЭЛТ;

Входной усилитель исследуемого сигнала, выход которого подключён к пластинам вертикального отклонения ЭЛТ.

Также содержатся вспомогательные блоки: блок управления яркости, калибратор длительности, калибратор амплитуды.

В цифровых осциллографах чаще всего используются ЖК-дисплеи.

Сигнальные входы

Осциллографы разделяются на одноканальные и многоканальные (2, 4, 6, и более каналов вертикального отклонения). Многоканальные осциллографы позволяют одновременно наблюдать на экране несколько сигналов, измерять их параметры и сравнивать их между собой.

Входной сигнал каждого канала подаётся на свой вход «Y» и усиливается своим усилителем вертикального отклонения до уровня, необходимого для работы отклоняющей системы ЭЛТ (десятки вольт) или аналого-цифрового преобразователя. Усилитель вертикального отклонения почти всегда строится по схеме усилителя постоянного тока (УПТ), то есть имеет нижнюю рабочую частоту 0 Гц. Это позволяет измерять постоянную составляющую сигнала, правильно отображать несимметричные сигналы относительно нулевой линии, измерять постоянное напряжение. Такой режим работы называется режимом с открытым входом.

Однако, если необходимо отсечь постоянную составляющую (например, она слишком велика и уводит луч за границы экрана и требуется изучение небольших изменений сигнала), усилитель можно переключить в режим с закрытым входом (входной сигнал подаётся на УПТ через разделительный конденсатор).

Управление развёрткой

В большинстве осциллографов используются два основных режима развёртки:

автоматический (автоколебательный);

ждущий.

В некоторых моделях предусмотрен ещё один режим:

однократный.

Автоматическая развёртка

При автоматической развёртке генератор развёртки работает в автоколебательном режиме, поэтому, даже в отсутствие сигнала, по окончании цикла развёртки — цикла генератора пилообразного напряжения развёртки происходит её очередной запуск, это позволяет наблюдать на экране изображение даже в отсутствие сигнала или при подаче на вход вертикального отклонения постоянного напряжения. В этом режиме у многих моделей осциллографов выполнен захват частоты генератора развёртки исследуемым сигналом, при этом частота генератора развёртки в целое число раз ниже частоты исследуемого сигнала.

Ждущий режим развёртки

В ждущем режиме развёртки напротив, при отсутствии сигнала или его недостаточном уровне (либо при неверно настроенном режиме синхронизации) развёртка отсутствует и экран гаснет. Развёртка запускается при достижении сигналом некоторого настроенного оператором уровня, причем можно настроить запуск развёртки как по нарастающему фронту сигнала, так и по падающему. При исследовании импульсных процессов, даже если они непериодические (например, непериодическое, достаточно редкое ударное возбуждение колебательного контура) ждущий режим обеспечивает зрительную неподвижность изображения на экране.

В ждущем режиме развёртку часто запускают не по самому исследуемому сигналу, а некоторым синхронным, обычно опережающим сам исследуемый процесс сигналом, например, сигналом импульсного генератора, возбуждающего процесс в исследуемой схеме. В этом случае запускающий сигнал подаётся на вспомогательный вход осциллографа — вход запуска развёртки — вход синхронизации.

Однократный запуск

При однократном режиме генератор развёртки «взводится» внешним воздействием, например, нажатием кнопки и далее ожидает запуска точно так же, как и в ждущем режиме. После запуска развёртка производится только один раз, для повторного запуска генератор развёртки необходимо «взвести» снова. Этот режим удобен для исследования непериодических процессов, таких как логические сигналы в цифровых схемах, чтобы последующие запуски развёртки по фронтам сигнала не «замусоривали» экран.

Недостаток такого режима развёртки — светящееся пятно по экрану пробегает однократно. Это затрудняет наблюдение при быстрых развёртках, так как яркость изображения в этом случае мала. Обычно в этих случаях применяют фотографирование экрана. Необходимость фотографирования на фотоплёнку ранее устраняли применением осциллографических трубок с запоминанием изображения, в современных цифровых осциллографах запоминание процесса производится в цифровом виде в цифровой памяти (ОЗУ) осциллографа.

Синхронизация развёртки с исследуемым сигналом

Для получения неподвижного изображения на экране каждые последующие траектории движения луча по экрану в циклах развёртки должны пробегать по одной и той же кривой. Это обеспечивает схема синхронизации развёртки, запускающая развёртку на одном и том же уровне и фронте исследуемого сигнала.

Пример. Допустим, исследуется синусоидальный сигнал и схема синхронизации настроена так, чтобы запускать развёртку при нарастании синусоиды, когда её значение равно нулю. После запуска луч отрисовывает одну или несколько, в зависимости от настроенной скорости развёртки, волн синусоиды. После окончания развёртки схема синхронизации не запускает развёртку повторно, как в автоматическом режиме, а дожидается очередного прохождения синусоидой волны нулевого значения на нарастающем фронте. Очевидно, что последующее прохождение луча по экрану повторит траекторию предыдущего. При частотах повторения развёртки свыше 20 Гц из-за инерционности зрения и послесвечения люминофора экрана будет видна неподвижная картина.

Если запуск развёртки не синхронизирован с наблюдаемым сигналом, то изображение на экране будет выглядеть «бегущим» или даже совершенно размазанным. Это происходит потому, что в этом случае отображаются различные участки наблюдаемого сигнала на одном и том же экране.

Для получения стабильного изображения все осциллографы содержат систему, называемую схемой синхронизации, которую в зарубежной литературе не совсем корректно часто называют триггером.

Назначение схемы синхронизации — задерживать запуск развёртки до тех пор, пока не произойдёт некоторое событие. В примере событием было прохождение синусоиды через нуль на нарастающем фронте.

Поэтому схема синхронизации имеет как минимум две настройки, доступные оператору:

Уровень запуска: задаёт напряжение исследуемого сигнала, при достижении которого запускается развёртка.

Тип запуска: по фронту или по спаду.

Правильная настройка этих органов управления обеспечивает запуск развёртки всегда в одном и том же месте сигнала, поэтому изображение сигнала на осциллограмме выглядит стабильным и неподвижным.

Во многих моделях осциллографов имеется ещё один орган управления схемой синхронизации — ручка плавной регулировки «СТАБИЛЬНОСТЬ», изменением её положения изменяют время нечувствительности генератора развёртки к запускающему событию («мертвое время» генератора развёртки). В одном крайнем положении генератор развёртки переводится в автоколебательный режим, в другом крайнем положении — в ждущий режим, в промежуточных положениях изменяет частоту запуска развёртки. Обычно в осциллографах, снабжённых этой регулировкой, отсутствует переключатель режима развёртки «ЖДУЩИЙ/АВТОМАТИЧЕСКИЙ».

Как было сказано, почти всегда предусмотрен дополнительный вход синхронизации развёртки, при этом имеется переключатель запуска развёртки «ВНЕШНИЙ/ВНУТРЕННИЙ», при положении «ВНЕШНИЙ» на вход схемы синхронизации развёртки подаётся не сам исследуемый сигнал, а напряжение со входа синхронизации.

Часто имеется переключатель на синхронизацию от питающей сети (в европейских странах и России — 50 Гц, в некоторых других странах — 60 Гц), при синхронизации от сети на вход схемы синхронизации подаётся напряжение с частотой сети. Такая синхронизация удобна для наблюдения сигналов с частотой сети или сигналов, кратных этой частоте, например, сетевых помех при измерении параметров сетевых фильтров, выпрямителей и др.

В специализированных осциллографах имеются и особые режимы синхронизации, например, режим запуска развёртки в момент начала заданной оператором номером строки в кадре телевизионного сигнала, что удобно при измерении параметров телевизионного тракта и отдельных его каскадов в системах телевидения.

В других специализированных осциллографах, применяемых при исследовании цифровых (например, микропроцессорных) устройств, схема синхронизации дополняется компаратором кодов и запуск развёртки производится при совпадении заданного оператором двоичного кода (слова) с кодом на шине, например, на шине адреса. Это удобно для поиска причины сбоев при записи/чтении некоторой ячейки памяти и других диагностик.

Итак, мы уже познакомились с такими понятиями как потенциометр, тип сигнала, осциллограф и тумблер, но что там с нашим тренажёром?

Задумка с применением потенциометров не увенчалась успехом из за сложности в реализации преобразователя аналогового сигнала в цифровой

А давайте представим, что аналого-цифровой преобразователь мы соберем – что же для этого нужно?

Аналого-цифровой преобразователь состоит из:

- Линейного пропускателя – он отсеивает лишний сигнал, не меняя его, тем самым отправляя далее лишь тот, который можно преобразовать в логическую команду. Линейный пропускатель просто так на схеме не начертить, ведь это совокупность различных деталей, которые могут многим отличаться.

- Множества компараторов. Компаратор – это устройство, которое сравнивает два разных напряжения и силу тока, выдает конечный силовой сигнал, указывая на большее из них, одновременно производя расчет соотношения.

Рис.3 Обозначение компаратора на схеме

- Счетчика импульсов - счётчик импульсов предназначен для подсчёта количества импульсов, поступающих с измерительных датчиков на счётные входы.

Рис.4 Один из вариантов схемы счетчика импульсов .

Кстати, о нем можно рассказать поподробнее.

Счетчик импульсов — это последовательностное цифровое устройство, обеспечивающее хранение слова информации и выполнение над ним микрооперации счета, заключающейся в изменении значения числа в счетчике на 1. По существу счетчик представляет собой совокупность соединенных определенным образом триггеров (устройств последовательного типа с двумя устойчивыми состояниями равновесия, предназначенное для записи и хранения информации). Основной параметр счетчика — модуль счета. Это максимальное число единичных сигналов, которое может быть сосчитано счетчиком. Счетчики обозначают через СТ (от англ. counter).

Итак, если бы собрали все это воедино, то получился бы аналого-цифровой преобразователь

И все бы ничего, но стоит просто посмотреть на схему его пайки и все сразу встает на свои места: стоит помнить, что каждая линия на получившейся схеме обозначает один провод

На практике могут использоваться различные системы счисления (коды). Символом счетчика на логических схемах служат буквы СТ (counter) и число, характеризующее систему счисления (2, 10, 2/10). основными эксплуатационными показателями счетчика являются его емкость и быстродействие. Быстродействие счетчика определяется двумя параметрами: разрешающей способностью t_раз и временем установки кода счетчика t_уст. Под разрешающей способностью понимают минимальное время между входными импульсами, при котором счетчик еще в состоянии их подсчитывать.

Цифровые счетчики классифицируются по следующим параметрам: используемой системе счисления (двоичные, десятичные, двоично-десятичные, в коде Джонсона); направлению счета (суммирующие, вычитающие, реверсивные); способу организации связей между разрядами (с последовательным переносом, с параллельным переносом, кольцевые).

А как вообще читать электрическую схему? В принципиальных схемах проводники (или дорожки) обозначаются линиями. Точкой между линиями обозначают электрическое соединение (пайку)

Из школьного курса физики вам известно, что ток течет от плюса к минусу, здесь ситуация та же: есть входной сигнал и выходной

Входной сигнал мы отслеживаем с начала устройства, а далее просто смотрим за тем, куда он пойдет, принимая во внимание различные детали на схеме, по которым, кстати, есть целый справочник

Таким образом, выучив обозначения нескольких радиодеталей можно без труда чертить и составлять схемы, что очень полезно при изготовлении чего то нового или же при пайке по схеме

У нас получилась довольно объемная и сложная схема, а теперь представьте, что это все надо правильно собрать и спаять.

Рис.5 Полученная схема

Мне, как новичку, сделать это практически невозможно. Поэтому был разработан план «Б»:

Берем 7-позиционный переключатель и вставим его в кран, а на место контактов поставим кнопки от клавиатуры, что должно дать нужный нам результат. Ну а пока наш проект далёк от финальной стадии, поэтому писать, что то ещё пока нет смысла, ибо на практике все может сложиться совсем иначе. В общем, нашу гипотезу пока нельзя ни подтвердить, ни опровергнуть, но мы обязательно подтвердим ее в будущем!

Список литературы

https://studopedia.ru/5_76212_schetchiki-impulsov.html - статья «Счетчики импульсов»

https://ru.wikipedia.org/wiki/Осциллограф - статья «Осциллограф»

https://electrosam.ru/glavnaja/slabotochnye-seti/oborudovanie/potentsiometry/ - статья о потенциометрах

http://nuclphys.sinp.msu.ru/electronics/modules.htm - статья «Различные электронные модули»

Книга «Юный Радиолюбитель»

https://radiostorage.net/337-chto-takoe-pereklyuchateli-vklyuchateli-i-vyklyuchateli-ih-vidy-i-oboznachenie.html -статья о переключателях, кнопках и тумблерах

https://pue8.ru/silovaya-elektronika/913-schetchiki-impulsov-naznachenie-primenenie-ustrojstvo.html - статья о счетчике импульсов

Книга «Практикум начинающего радиолюбителя»

https://electrosam.ru/glavnaja/slabotochnye-seti/oborudovanie/komparatory/ - статья о компараторах

Код для цитирования: Скопировать