電感電容在交流電路中的作用數(shù)字化演示教具

常萬仁

目前，在高中物理教學(xué)中，關(guān)于“電感、電容對(duì)交流電路的影響”這部分內(nèi)容，現(xiàn)有的演示教具存在一些問題。要想定量演示電感、電容在交流電路中的阻礙作用，需要較多的電子儀器，這些儀器不僅電路連接復(fù)雜，而且還需要很大的擺放空間，造價(jià)昂貴。為解決這個(gè)問題，我研制了利用電腦聲卡的“電感電容在交流電路中的作用數(shù)字化演示教具”，實(shí)現(xiàn)了可定量演示相關(guān)教學(xué)內(nèi)容。

設(shè)計(jì)制作

虛擬數(shù)控交流電源（音頻功放器）

通過虛擬儀器開發(fā)軟件Labview.利用電腦聲卡編制一個(gè)可以使不同頻率的信號(hào)混合在一起的數(shù)控交流電源，此電源可以使2個(gè)不同頻率的信號(hào)混合在一起，也可以將噪聲混合在一起，滿足不同的實(shí)驗(yàn)需要，能夠演示電感、電容在電路中的濾波作用。此電源頻率的誤差小于0.01%。

電源軟件桌面設(shè)計(jì)，有2個(gè)頻率設(shè)置編輯框，使用時(shí)通過鍵盤鍵入數(shù)據(jù)，設(shè)有3個(gè)幅度控制旋鈕，分別是頻率A旋鈕、頻率B旋鈕和噪聲旋鈕，如：頻率A為100Hz.頻率B為400Hz.頻率A旋鈕幅度設(shè)置為4.噪聲為0.頻率B設(shè)置為0.所以，只能發(fā)出頻率為100Hz的正弦波形。

電源硬件設(shè)計(jì)，功放采用TDA2004功放芯片，輸出端設(shè)置ABC3個(gè)接線柱，AB2個(gè)接線柱相對(duì)直流電壓為零，A對(duì)地電壓為6v.B接線柱為交流音頻輸出電壓，若有連接有正負(fù)極的電解電容，接AC 2個(gè)接線柱。此功放器不含電源，需外接12V電源，通過接線柱連接。

數(shù)控交流電源技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)為：數(shù)控頻率A50-20000Hz、數(shù)控頻率B50-20000Hz、輸出電壓0-6V、輸出電流0-1A、噪聲為高頻段廣譜噪聲。

電感電容電阻在交流電路中特性測(cè)量儀

傳感器硬件設(shè)計(jì)

有了數(shù)控交流電源，還要將電路中的電感、電容兩端的電壓、電流傳給電腦，由于電腦話筒輸入的電壓小于1v.且左右通道是共同的接地線，影響2塊表的單獨(dú)測(cè)量，所以需自制相應(yīng)的硬件（傳感器）使公共“地”分開。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，每組數(shù)據(jù)采集，電壓和電流都分為2擋就夠用了，可用兩刀四擋開關(guān)轉(zhuǎn)換。為了將2路的公共“地”分開，采用隔離變壓器，由于隔離變壓器的輸入電阻不可能很高，所以采用LM358進(jìn)行阻抗變換和放大。現(xiàn)在小體積變壓器的矽鋼片鐵芯不太好找，所以可用高頻磁芯代替，磁芯可從廢舊的日光燈電子鎮(zhèn)流器中獲得，雖然低頻特性較差，但也能滿足要求，用0.1的漆包線輸入輸出分別纏繞1200匝。

虛擬測(cè)量儀桌面設(shè)計(jì)

將示波器、相差計(jì)、電流表、電壓表、頻率計(jì)設(shè)計(jì)在一個(gè)桌面上，相當(dāng)于5個(gè)儀器同時(shí)運(yùn)用。雖然通過雙通示波器可以看到相差，但是觀察誤差很大，所以加了數(shù)顯相差計(jì)。

虛擬雙通示波頻譜儀

虛擬雙通示波頻譜儀用來直觀地演示電容在交流電路中的濾波作用，其桌面設(shè)計(jì)如圖4所示。

電流電壓轉(zhuǎn)換和量程選擇開關(guān)

電流電壓轉(zhuǎn)換和量程選擇開關(guān)如圖5所示。

電感電容電阻演示板

電感電容電阻演示板如圖6所示。

演示實(shí)驗(yàn)

本教具可以演示：①電容在交流電路中特性實(shí)驗(yàn)（見圖7.其他實(shí)驗(yàn)演示圖略）;②電容電阻串聯(lián)在交流電路中特性實(shí)驗(yàn);③電感在交流電路中通低頻、阻礙高頻的濾波作用實(shí)驗(yàn);④電感和電阻串聯(lián)在交流電路中特性實(shí)驗(yàn)。具體實(shí)驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)分析略。

創(chuàng)新點(diǎn)

令應(yīng)用Labview開發(fā)了一套可定性、定量、形象直觀地演示電感電容電阻在交流電路中作用的數(shù)據(jù)采集軟件。

應(yīng)用電子技術(shù)研制了與上述軟件配套的傳感器硬件，巧妙地解決了電腦自帶聲卡的公共“地”不能分開的問題，使電壓和電流的測(cè)量隨意使用。

開發(fā)了應(yīng)用電腦聲卡由軟件和簡單的硬件結(jié)合，由多種交流信號(hào)混合的數(shù)控交流電源。

小結(jié)

采用計(jì)算機(jī)技術(shù)，通過自編電腦軟件和自制硬件，設(shè)計(jì)了一個(gè)虛實(shí)結(jié)合的演示教具，實(shí)現(xiàn)了既能定性、形象直觀地演示電感電容在交流電路中的作用，又能定量地演示或測(cè)量感、容、阻串并聯(lián)在交流電路中的電流、電壓、頻率、相位、相差等數(shù)量關(guān)系。

利用電腦聲卡完成了D/A、A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集，配合簡單的硬件制作，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控交流電源、示波器、頻率計(jì)、相差計(jì)、電壓表、電流表6種虛擬儀器。6種儀器的輸入和輸出數(shù)據(jù)顯示制作在一個(gè)桌面上，硬件與電腦連線使用電腦的話筒和耳機(jī)插孔，電路連接簡單。

此教具的數(shù)控交流電源，由電腦聲卡完成D/A轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生交流正弦波信號(hào)，由耳機(jī)插孔輸出，經(jīng)由TDA2040芯片功放，

產(chǎn)生0-5V可調(diào)電壓，最大電流2A。此交流電源不是單一的交流信號(hào)，它是由2個(gè)幅度和頻率可控的交流信號(hào)和1個(gè)噪聲信號(hào)組成，3個(gè)信號(hào)可以混合在一起，用來演示電感電容在交流電路中的濾波作用。

此教具的電感電容電阻在交流電路中特性測(cè)量儀，由電腦話筒插孔輸入2路交流信號(hào)，由自身聲卡進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，通過軟件數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)了示波器、頻率計(jì)、相差計(jì)、電壓表、電流表5種虛擬儀器。

該項(xiàng)目獲得第33屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員創(chuàng)新成果科教制作類一等獎(jiǎng)。

專家評(píng)語

此教具主要由虛擬電感電容電阻在交流電路中特性測(cè)量儀，虛擬數(shù)控交流電源，虛擬雙通示波頻譜儀，感、容、阻特性示教板組成。項(xiàng)目原理科學(xué)、概念清晰、構(gòu)思巧妙、設(shè)計(jì)合理，作品實(shí)用性強(qiáng)。項(xiàng)目選題新穎，具有實(shí)質(zhì)性創(chuàng)新，對(duì)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(jià)值。希望項(xiàng)目在工藝方面作出改進(jìn)和提升。