基于聲卡的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在電磁振蕩實驗中的應(yīng)用

　　一、項目背景
　　
　　在信息化社會的背景下，傳統(tǒng)的實驗?zāi)Ｊ揭呀?jīng)不能滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需要了?，F(xiàn)代化測量技術(shù)引入中學(xué)物理實驗教學(xué)，不僅可以改善實驗效果，也提升了實驗的科學(xué)技術(shù)含量。因此傳感器和數(shù)字處理系統(tǒng)被引入到高中物理教學(xué)之中，它為中學(xué)物理教學(xué)的改革增加了一種新的手段，為培養(yǎng)學(xué)生的物理創(chuàng)造性思維能力起到了重要的作用。具體講，它可以使抽象的問題形象化，從而使學(xué)生完整、清晰、形象地感知物理過程。但由于數(shù)據(jù)采集器價格昂貴，許多學(xué)校都沒有購買配置，即使擁有，數(shù)量也很少，因此使數(shù)據(jù)采集器真正應(yīng)用于物理課堂教學(xué)和學(xué)生實驗，受到了極大的限制。
　　無論在過去還是當(dāng)今的新課標(biāo)中，都同樣提倡教師合理地開發(fā)利用身邊的各種器材和可用資源改善實驗條件、課程資源。利用聲卡制作數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是利用了聲卡的數(shù)模轉(zhuǎn)換功能，將物理信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號輸出。聲卡是一種音頻范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡，通常的聲卡都是16位，采樣率為44.1kHz。聲卡是計算機的一個普通外設(shè)，已經(jīng)有成熟的底層支持，因此開發(fā)起來成本低，兼容性好。
　　
　　二、項目結(jié)構(gòu)
　　
　　1　基于聲卡的數(shù)據(jù)采集器
　　雙聲道聲卡有左右聲道之分，因此可以實現(xiàn)兩路信號的同時采集。聲卡的輸入電壓是1.5V，為了避免損壞聲卡，需要將聲卡的輸入電壓限制在聲卡的承受范圍之內(nèi)，因此要加入信號調(diào)整電路。以提供合適的電壓。去除聲卡Line in輸入的隔直電容，制作信號調(diào)整電路，通過USB聲卡為信號調(diào)整電路提供電源，信號調(diào)整電路輸出接至改造后的聲卡Line in輸入。各信道輸入連接線采用屏蔽線消除雜波，制作完成基于聲卡的數(shù)據(jù)采集器。
　　
　　2　數(shù)據(jù)采集處理軟件——數(shù)字存儲示波器軟件
　　在VC6.0平臺上編寫數(shù)字存儲示波器軟件(如圖1)，該軟件可分別設(shè)置雙通道信號的觸發(fā)類型和單位幅度，可觀察某單一通道或雙通道振蕩波形及其李沙育圖形，通過軟件的mark功能可測量振蕩周期實現(xiàn)對USB聲卡的調(diào)整控制，數(shù)據(jù)的采集、顯示、分析、存儲等功能。
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　三、應(yīng)用實例
　　
　　按照圖2所示，搭建演示板，其中L為8W電感鎮(zhèn)流器，從鎮(zhèn)流器中點抽頭。將電話機變壓器的三個繞組進(jìn)行串聯(lián)，接出引線，其中1只變壓器鐵芯抽出待用，作為外接用電感器。
　　將470n電阻與3.5單聲道音頻插頭按圖3進(jìn)行連接。
　　按照圖4制作振蕩電路外接電路板。
　　1　探究電磁振蕩實驗中電感、電容、電阻對振蕩周期的影響
　　把自制實驗電路板、數(shù)據(jù)采集器(改造后的聲卡)以及計算機用相應(yīng)的導(dǎo)線和USB數(shù)據(jù)線連接起來。啟動自編的虛擬數(shù)字示波器軟件，設(shè)置通道。通道1設(shè)定為“電流”，幅度可選10mA，時間根據(jù)所選電感電容確定。通道2設(shè)定為“電壓”，幅度可選0.5V。演示、觀察阻尼振蕩的電流和電壓變化規(guī)律(LC振蕩電路電流變化規(guī)律)。K1接至a點，給電容充電，選中捕獲功能，K1接至b點，形成LC振蕩電路，捕獲振蕩波形?？梢灾庇^地顯示出振蕩電路中電壓和電流兩路信號的振蕩波形及其相位關(guān)系。利用mark功能可以測量出振蕩周期。
　　2　探究電感、電容、電阻對振蕩周期的影響
　　第一組實驗：電容不變，改變電感
　　通過K3可選擇內(nèi)部電感或外接電感。當(dāng)選擇外接電感時，可由J4接入外接電感。2個改造好的電話機變壓器可作為外接電感使用，改變電話機變壓器的抽頭位置或者通過改變鐵芯的插入與否、鐵芯的氣隙大小均可改變其電感量大小(本實驗主要側(cè)重鐵芯變化對LC振蕩電路的影響)。通道1的時間刻度設(shè)為2.5 ms，電容C=0.1μF。
　　(1)空心線圈(可利用軟件的mark功能，測量振蕩的周期，大約0.373ms)：
　　(2)插入“E”字型鐵芯；
　　(3)加入“一”字型鐵芯，構(gòu)成“日”字型。還可通過改變鐵芯氣隙，從而改變電感的大小。
　　本組實驗是該項目的重點，它在通常情況下即便使用數(shù)字實驗室也是觀察不到實驗現(xiàn)象的，而且本組實驗也開闊了學(xué)生思維，培養(yǎng)了學(xué)生的發(fā)散思維和創(chuàng)新精神。
　　第二組實驗：電感不變，改變電容
　　通過K2可選擇內(nèi)部電容或外接電容。當(dāng)選擇內(nèi)部電容時，通過S1可改變電容值，范圍為0.056UP～47pP共11檔；選擇外接電容時，由J3接入外接電容。
　　第三組實驗：電容、電感不變，改變電阻
　　選取適當(dāng)?shù)碾娙?、電感，通過J1加上470n可調(diào)電阻，形成RLC振蕩電路。時間定為1s直接測量出下列波形，然后逐一放大觀看，可以直觀比較：
　　(1)電阻為0時的阻尼振蕩，波形振蕩多個周期：
　　(2)電阻變大，波形衰減變快；
　　(3)電阻調(diào)到最大幾乎無法產(chǎn)生振蕩。
　　教學(xué)中可根據(jù)需要采取不同的電容電感組合方式，從而獲得理想的實驗效果。通過軟件的測量功能可以定量測量振蕩周期與電容、電感的關(guān)系。
　　第四組實驗：演示無阻尼振蕩
　　通過J2接人振蕩電路外接電路板，時間選為0.1s，接通電路板電源后看到起振過程，和信號逐漸穩(wěn)定的情況，當(dāng)切斷電源時，可觀察到阻尼振蕩的振蕩波形。使用李沙育圖形x-y模式觀測效果更好。
　　
　　四、創(chuàng)新點
　　
　　1　傳統(tǒng)的電磁振蕩實驗是用指針式電流表觀察LC電路產(chǎn)生的振蕩電流，擺動幅度小、次數(shù)少，不易觀察：用普通示波器可以看到真實的現(xiàn)象，但是不能保存分析。本項目解決了上述問題，用改進(jìn)的USB聲卡實時采集LC振蕩電路的電壓、電流信號，可由曲線測量出振蕩的周期和頻率，觀察電壓、電流的相位關(guān)系；還可通過改變電路元件的參數(shù)，觀察電感和電容對LC振蕩電路的影響。在演示實驗過程中觀察到的現(xiàn)象直觀，一改原來本章節(jié)只能使用理論講解，習(xí)題鞏固的缺憾，學(xué)生可以直觀地看到實驗現(xiàn)象，消化了難點，收到事半功倍的效果
　　2　降低了對實驗元件的要求。傳統(tǒng)的電磁振蕩實驗需要高電壓、大電容、大電感才有可能觀察到實驗現(xiàn)象。通過本系統(tǒng)可以得到很明顯的實驗現(xiàn)象，降低了對實驗元件的要求。
　　3　該項目成本低，安裝方便。將百元左右的聲卡進(jìn)行改造，使其能夠采集低頻率乃至直流信號，通過自編軟件實時采集實驗數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)了低成本高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能。大大降低了實驗成本。而且該項目既適用于教師演示實驗又適合學(xué)生開展自主探究實驗。
　　4　實現(xiàn)了定量研究。此系統(tǒng)不僅適用于定性研究，也適用于定量研究。把真實采集到的數(shù)據(jù)，以圖線的形式呈現(xiàn)在學(xué)生面前，能使抽象的物理過程直觀化和圖形化，通過軟件的mark功能，方便準(zhǔn)確地測出周期的數(shù)值。
　　5　該實驗項目可擴展性好，只要改變前端實驗板即可應(yīng)用于電容充放電、電磁感應(yīng)等其他電學(xué)實驗，而且稍作改進(jìn)還可用于單擺周期、速度、加速度等其他實驗的測定。
　　總之。該實驗項目突破了傳統(tǒng)實驗手段的限制。大幅度地改進(jìn)傳統(tǒng)手段做不出、做不好的實驗，變不可見到可見，由抓不住到抓得住，由不好做的變?yōu)楹米?/p>