基于聲卡的數據采集系統在電磁振蕩實驗中的應用

　　一、項目背景
　　
　　在信息化社會的背景下，傳統的實驗模式已經不能滿足學生的學習需要了。現代化測量技術引入中學物理實驗教學，不僅可以改善實驗效果，也提升了實驗的科學技術含量。因此傳感器和數字處理系統被引入到高中物理教學之中，它為中學物理教學的改革增加了一種新的手段，為培養學生的物理創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，從而使學生完整、清晰、形象地感知物理過程。但由于數據采集器價格昂貴，許多學校都沒有購買配置，即使擁有，數量也很少，因此使數據采集器真正應用于物理課堂教學和學生實驗，受到了極大的限制。
　　無論在過去還是當今的新課標中，都同樣提倡教師合理地開發利用身邊的各種器材和可用資源改善實驗條件、課程資源。利用聲卡制作數據采集系統是利用了聲卡的數模轉換功能，將物理信號轉變為數字信號輸出。聲卡是一種音頻范圍內的數據采集卡，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，已經有成熟的底層支持，因此開發起來成本低，兼容性好。
　　
　　二、項目結構
　　
　　1　基于聲卡的數據采集器
　　雙聲道聲卡有左右聲道之分，因此可以實現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，因此要加入信號調整電路。以提供合適的電壓。去除聲卡Line in輸入的隔直電容，制作信號調整電路，通過USB聲卡為信號調整電路提供電源，信號調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據采集器。
　　
　　2　數據采集處理軟件——數字存儲示波器軟件
　　在VC6.0平臺上編寫數字存儲示波器軟件(如圖1)，該軟件可分別設置雙通道信號的觸發類型和單位幅度，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對USB聲卡的調整控制，數據的采集、顯示、分析、存儲等功能。
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　三、應用實例
　　
　　按照圖2所示，搭建演示板，其中L為8W電感鎮流器，從鎮流器中點抽頭。將電話機變壓器的三個繞組進行串聯，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、數據采集器(改造后的聲卡)以及計算機用相應的導線和USB數據線連接起來。啟動自編的虛擬數字示波器軟件，設置通道。通道1設定為“電流”，幅度可選10mA，時間根據所選電感電容確定。通道2設定為“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律(LC振蕩電路電流變化規律)。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。可以直觀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可選擇內部電感或外接電感。當選擇外接電感時，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(本實驗主要側重鐵芯變化對LC振蕩電路的影響)。通道1的時間刻度設為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字實驗室也是觀察不到實驗現象的，而且本組實驗也開闊了學生思維，培養了學生的發散思維和創新精神。
　　第二組實驗：電感不變，改變電容
　　通過K2可選擇內部電容或外接電容。當選擇內部電容時，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
　　選取適當的電容、電感，通過J1加上470n可調電阻，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)電阻調到最大幾乎無法產生振蕩。
　　教學中可根據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，和信號逐漸穩定的情況，當切斷電源時，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、創新點
　　
　　1　傳統的電磁振蕩實驗是用指針式電流表觀察LC電路產生的振蕩電流，擺動幅度小、次數少，不易觀察：用普通示波器可以看到真實的現象，但是不能保存分析。本項目解決了上述問題，用改進的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、電流的相位關系；還可通過改變電路元件的參數，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象直觀，一改原來本章節只能使用理論講解，習題鞏固的缺憾，學生可以直觀地看到實驗現象，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象。通過本系統可以得到很明顯的實驗現象，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據，從而實現了低成本高精度數據采集系統的功能。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生開展自主探究實驗。
　　4　實現了定量研究。此系統不僅適用于定性研究，也適用于定量研究。把真實采集到的數據，以圖線的形式呈現在學生面前，能使抽象的物理過程直觀化和圖形化，通過軟件的mark功能，方便準確地測出周期的數值。
　　5　該實驗項目可擴展性好，只要改變前端實驗板即可應用于電容充放電、電磁感應等其他電學實驗，而且稍作改進還可用于單擺周期、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實驗手段的限制。大幅度地改進傳統手段做不出、做不好的實驗，變不可見到可見，由抓不住到抓得住，由不好做的變為好做