數字化電容電感特性演示儀

簡介

電容充放電與自感現象是普通高中物理中的教學重點，也都是教學難點，這幾部分內容學習時，學生感覺比較抽象，難以理解，單純應用傳統的演示教具因電容充放電和自感現象過程都很短暫，一閃即逝，學生不易觀察，往往也收不到好的教學效果。本項目自制演示儀，通過基于聲卡的數據采集卡與計算機連接成為虛擬示波器，利用計算機強大的處理功能，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給學生，現象明顯、直觀。演示儀利用常見音頻處理軟件CoolEditPRO的錄制、回放功能，可以讓學生對整個過程慢慢地分析，從而加深對有關知識的理解。

設計方案的選擇

改善實驗演示效果，有下面幾種方法。

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

采用應用專業數據采集器的數字化信息系統。此方案成本太高，難以實現。

將聲卡改制成可采集直流、交流信號的數據采集器，配合自制演示板，借助常見的音頻處理軟件CoolEditPRO，利用計算機的數據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

多數音頻處理軟件具有波形顯示功能，橫縱坐標可以精確地顯示時間、強度等，也可以進行信號的錄制、重播，而這類軟件可以十分方便地從網絡下載。音頻處理軟件很多，經過比較，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生和處理的強大能力，使其可以顯示、產生和編輯任意波形，能使波形分析和數據處理變得十分容易，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。

如果想要更細致地觀察波的形狀，可以把波形進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據不能正確顯示充電曲線，必須對聲卡進行改造。

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據采集卡就完成了。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。

加裝信號調節電路。

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，必須加裝信號調節電路。

硬件部分完成后如圖3。

演示儀功能

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

演示自感現象。以上3功能單獨用演示儀就可以實現。

探究電容器的充放電規律并與電阻兩端電壓曲線對比。

探究電容充放電電路中，當電阻阻值或電容器的電容發生變化時，充放電曲線的變化。實現以上2功能要用演示儀與數據采集卡和計算機配套使用實現。

演示儀的優點

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

該項目獲得第27屆全國青少年科技創新大賽科技輔導員創新成果物理教學類一等獎。

專家評語

該項目的主要內容是利用數據采集和計算機演示的先進技術，展示了電容、電感的特性。該項目原理科學，概念清晰，構思巧妙，設計合理，作品教育性強。項目選題新穎，具有實質性創新，對傳統方法有突破。作品效果顯著，制作規范，具有示范推廣價值。