數(shù)字化電容電感特性演示儀

簡介

電容充放電與自感現(xiàn)象是普通高中物理中的教學(xué)重點，也都是教學(xué)難點，這幾部分內(nèi)容學(xué)習(xí)時，學(xué)生感覺比較抽象，難以理解，單純應(yīng)用傳統(tǒng)的演示教具因電容充放電和自感現(xiàn)象過程都很短暫，一閃即逝，學(xué)生不易觀察，往往也收不到好的教學(xué)效果。本項目自制演示儀，通過基于聲卡的數(shù)據(jù)采集卡與計算機(jī)連接成為虛擬示波器，利用計算機(jī)強(qiáng)大的處理功能，使電容充放電曲線、電感特性曲線及電磁振蕩曲線借助大屏幕呈現(xiàn)給學(xué)生，現(xiàn)象明顯、直觀。演示儀利用常見音頻處理軟件CoolEditPRO的錄制、回放功能，可以讓學(xué)生對整個過程慢慢地分析，從而加深對有關(guān)知識的理解。

設(shè)計方案的選擇

改善實驗演示效果，有下面幾種方法。

利用發(fā)光二極管制作大型演示板，采用數(shù)字電路或單片機(jī)使二極管順序發(fā)光，模擬電容充放電曲線和電感特性曲線。這個辦法雖能使學(xué)生觀察到曲線形狀，但因曲線是預(yù)先設(shè)定好的，不能真實地反映電容、電感變化曲線形狀，可信度不高。

采用應(yīng)用專業(yè)數(shù)據(jù)采集器的數(shù)字化信息系統(tǒng)。此方案成本太高，難以實現(xiàn)。

將聲卡改制成可采集直流、交流信號的數(shù)據(jù)采集器，配合自制演示板，借助常見的音頻處理軟件CoolEditPRO，利用計算機(jī)的數(shù)據(jù)處理功能可將真實的電容、電感變化曲線通過大屏幕顯示出來。這個方法制作簡單，成本低廉，切實可行。本項目即采用這種方法。

研制過程

軟件的選擇

多數(shù)音頻處理軟件具有波形顯示功能，橫縱坐標(biāo)可以精確地顯示時間、強(qiáng)度等，也可以進(jìn)行信號的錄制、重播，而這類軟件可以十分方便地從網(wǎng)絡(luò)下載。音頻處理軟件很多，經(jīng)過比較，我決定選用Cool EditPRO作為波形處理軟件。由于此軟件具備波形發(fā)生和處理的強(qiáng)大能力，使其可以顯示、產(chǎn)生和編輯任意波形，能使波形分析和數(shù)據(jù)處理變得十分容易，因此作為虛擬儀器軟件很合適。

開始錄制信號時，信號波形能同時在軟件的波形窗口顯示出來，見圖1。

如果想要更細(xì)致地觀察波的形狀，可以把波形進(jìn)行水平放大即縮小時間軸的間隔，這樣就可以清晰顯示出較高頻率信號的形狀，通過波的形狀也就知道了采集的電信號的變化過程。

硬件的制作

聲卡改造是制作的關(guān)鍵。本項目涉及直流信號，如電容充滿電后，電容兩端的電壓就是一個直流量，但一般聲卡都是交流設(shè)備，不能正確地輸出和輸入直流信號，所以用一般聲卡采集數(shù)據(jù)不能正確顯示充電曲線，必須對聲卡進(jìn)行改造。

PCI聲卡改制。對此類聲卡的改造主要是對線路輸入電路的改造。改造后電路如圖2。

將TL431和需要的阻容元件直接搭焊在聲卡上，TL431的5V輸入端接聲卡上的78L05的輸出端，將線路輸入的地端斷開，通過RP接到TL431的輸出腳，這樣一個廉價的可采集直流電信號的數(shù)據(jù)采集卡就完成了。將電腦前面板不常用的話筒輸入口改為采集卡的線路輸入口，改裝時注意將話筒插座的接地與機(jī)箱接地斷開，使用時將連接線插入這個插孔，就可采集信號了。用改造后的聲卡試著采集一段電容充放電曲線，其信號波形與理論上的充放電曲線基本一致，說明改造取得成功。

USB聲卡改造。市場上常見的USB聲卡信號輸入只有話筒輸入，因此重點是改造話筒輸入部分電路。

加裝信號調(diào)節(jié)電路。

因一般聲卡的信號輸入電壓不能太大，超過2V就容易損壞聲卡，為保證聲卡的安全使用，必須加裝信號調(diào)節(jié)電路。

硬件部分完成后如圖3。

演示儀功能

實際教學(xué)中根據(jù)教學(xué)條件的不同，演示儀既可以單獨使用，又可以與數(shù)據(jù)采集卡、計算機(jī)配套，組成虛擬示波器演示電容、電感特性曲線，使學(xué)生能夠更加深入地理解這部分知識。在有臺式機(jī)的條件下用PCI聲卡改制的采集卡，沒有臺式機(jī)的地方則用USB聲卡改制的采集卡。

演示儀具備如下功能：

演示電容器的隔直流作用。

演示電容器儲存電荷的本領(lǐng)。

演示自感現(xiàn)象。以上3功能單獨用演示儀就可以實現(xiàn)。

探究電容器的充放電規(guī)律并與電阻兩端電壓曲線對比。

探究電容充放電電路中，當(dāng)電阻阻值或電容器的電容發(fā)生變化時，充放電曲線的變化。實現(xiàn)以上2功能要用演示儀與數(shù)據(jù)采集卡和計算機(jī)配套使用實現(xiàn)。

演示儀的優(yōu)點

制作完成后，經(jīng)本人和多位物理教師使用，均反映此演示儀演示的實驗現(xiàn)象清楚、直觀，可以很好地幫助學(xué)生理解電容、電感及電磁振蕩的相關(guān)知識。而且改造的采集卡配不同的傳感器還可完成力學(xué)、聲學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)的多個實驗。

該項目獲得第27屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員創(chuàng)新成果物理教學(xué)類一等獎。

專家評語

該項目的主要內(nèi)容是利用數(shù)據(jù)采集和計算機(jī)演示的先進(jìn)技術(shù)，展示了電容、電感的特性。該項目原理科學(xué)，概念清晰，構(gòu)思巧妙，設(shè)計合理，作品教育性強(qiáng)。項目選題新穎，具有實質(zhì)性創(chuàng)新，對傳統(tǒng)方法有突破。作品效果顯著，制作規(guī)范，具有示范推廣價值。