胡穎舒　吳先球　王珍寧

數(shù)據(jù)采集器是把實(shí)驗(yàn)過程中的電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)輸出,實(shí)現(xiàn)了數(shù)模之間的轉(zhuǎn)換。而聲卡也是一個(gè)同樣具備數(shù)模轉(zhuǎn)換功能的設(shè)備。利用聲卡在音頻范圍內(nèi)代替專用的數(shù)據(jù)采集器,大大降低了在實(shí)際教學(xué)中使用數(shù)據(jù)采集器的門檻。但是由于普通聲卡只能接受音頻范圍(20Hz～20kHz)內(nèi)的交流信號(hào),不能對(duì)直流信號(hào)或緩變交流信號(hào)進(jìn)行采集。而中小學(xué)階段的科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容里,直流信號(hào)占了很大一部分。這也是在教學(xué)中使用電腦聲卡代替專用的數(shù)據(jù)采集器局限所在。

針對(duì)實(shí)際教學(xué)情況,筆者自主研制了一套基于USB聲卡的數(shù)據(jù)采集器,通過添加外圍電路解決普通聲卡無法測量直流信號(hào)的問題,為學(xué)校提供了符合教育信息化要求的低成本教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

一、硬件部分

USB外置聲卡的優(yōu)點(diǎn)有:(1)信噪比得到了較大的提高。(2)安裝簡單,可被系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)配置、自動(dòng)安裝。(3)具有可熱插拔的特點(diǎn),即插即用。(4)使用USB聲卡作為數(shù)據(jù)采集設(shè)置,能有效避免在實(shí)驗(yàn)過程中因使用不當(dāng)而損害主板的聲卡,導(dǎo)致維修成本過高。(5)可方便添加外圍電路,增強(qiáng)采集功能。

筆者利用PCM2902芯片設(shè)計(jì)了基于USB聲卡的數(shù)據(jù)采集器,同時(shí)通過添加外圍電路——壓控振蕩器,解決了聲卡無法測量直流信號(hào)的問題,并增強(qiáng)了聲卡的數(shù)據(jù)采集功能。PCM2902的USB聲卡模塊、壓控振蕩模塊再加上為傳感器配置的串行接口,就組成了基于USB聲卡的數(shù)據(jù)采集器硬件設(shè)備,如圖1所示。

二、軟件部分

基于USB聲卡的數(shù)據(jù)采集器應(yīng)用程序主要利用LabVIEW來編寫,具有“直流采集”、“交流采集”、“數(shù)據(jù)處理”、“歷史回放”四大功能,可完成各種實(shí)驗(yàn)的采集記錄任務(wù),并可根據(jù)教學(xué)和探究需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、圖線分析等。

“直流采集”選項(xiàng)卡中設(shè)有定時(shí)和手動(dòng)記錄數(shù)據(jù)兩種模式,記錄下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以表格與圖形兩種方式同步顯示?！敖涣鞑杉笨砂炎笥覂陕暤赖男盘?hào)實(shí)時(shí)采集顯示,并設(shè)有自動(dòng)保存和手動(dòng)保存數(shù)據(jù)兩種模式可供選擇。用戶可通過移動(dòng)游標(biāo)讀出波形上某一點(diǎn)的精確坐標(biāo)值,也可縮放圖形的顯示區(qū)域,實(shí)現(xiàn)波形的全景和局部觀察,如圖2。

當(dāng)數(shù)據(jù)采集完畢后,“數(shù)據(jù)處理”和“歷史回放”功能被自動(dòng)觸發(fā)?！皵?shù)據(jù)處理”中設(shè)有線性擬合、指數(shù)擬合等多種擬合方式可供選擇,并自動(dòng)顯示擬合后的數(shù)據(jù)和結(jié)果。在“歷史回放”選項(xiàng)卡中用戶則可選擇回放任何已保存的波形文件,用做進(jìn)一步的圖像觀察與分析。

三、基于USB聲卡的數(shù)據(jù)采集器在教學(xué)中的應(yīng)用

演示晶體熔化時(shí)溫度的變化規(guī)律實(shí)驗(yàn)中,傳統(tǒng)方法是使用煤油溫度計(jì)測量溫度。這種由人眼目測并手動(dòng)記錄溫度的方法易造成誤差。如果固體升溫過快,保持溫度不變的時(shí)間很短,則可能來不及記錄數(shù)據(jù),使繪制的溫度變化曲線不能清晰地顯示水平段,導(dǎo)致無法得出此晶體的熔點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)中,采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器(如圖3),但使用溫度傳感器代替煤油溫度計(jì)測量樟腦丸(C10H16O)熔化過程的溫度變化。溫度在某一時(shí)間內(nèi)是一個(gè)穩(wěn)定值,溫度傳感器把溫度值轉(zhuǎn)化為電信號(hào),這個(gè)信號(hào)是緩變信號(hào),直接用聲卡是無法采集的。因此,需要應(yīng)用基于USB聲卡的數(shù)據(jù)采集器,運(yùn)行其應(yīng)用程序,選用“直流采集”功能,設(shè)定系統(tǒng)定時(shí)記錄溫度數(shù)據(jù),就能自動(dòng)采集數(shù)據(jù),顯示溫度變化曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

對(duì)于本實(shí)驗(yàn),傳統(tǒng)做法是在實(shí)驗(yàn)完成后,還需要對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)描點(diǎn)作圖。在課堂演示實(shí)驗(yàn)中做這樣的數(shù)據(jù)處理工作既費(fèi)時(shí)又精度不高。若利用程序中的功能進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,則可留下更多的課堂時(shí)間進(jìn)行圖線的分析或開展新實(shí)驗(yàn)。又如,在探究晶體與非晶體的凝固溫度變化曲線時(shí),可在熄滅酒精燈后,在程序中設(shè)定定時(shí)自動(dòng)記錄。這樣,凝固時(shí)的溫度變化曲線就能在無需看守的情況下自動(dòng)完成并顯示圖線,由此可大大提高課堂演示實(shí)驗(yàn)的數(shù)量、質(zhì)量與效率。

更換使用各類傳感器,可完成力、熱、電、聲等多種實(shí)驗(yàn),現(xiàn)已開發(fā)并驗(yàn)證了胡克定律實(shí)驗(yàn)、電磁感應(yīng)現(xiàn)象的演示、測量電源的電動(dòng)勢和內(nèi)阻、RC、RL的移相實(shí)驗(yàn)等實(shí)例,實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代教育技術(shù)與科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效整合。

此數(shù)據(jù)采集器可應(yīng)用于教師演示實(shí)驗(yàn)、學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)、研究性學(xué)習(xí)等。由于此數(shù)據(jù)采集器具有成本低、通用性強(qiáng)的特點(diǎn),可更新和擴(kuò)充教學(xué)的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備。將現(xiàn)代化測量技術(shù)引入科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué),不僅可以改善實(shí)驗(yàn)效果,還提升了實(shí)驗(yàn)的科技含量。以此USB聲卡數(shù)據(jù)采集器作為硬件設(shè)備,還可設(shè)計(jì)一系列基于聲卡的虛擬儀器。在使用時(shí),只需把用戶程序安裝在多臺(tái)計(jì)算機(jī)上,就可以作為實(shí)驗(yàn)儀器供學(xué)生使用。

參考文獻(xiàn)

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(作者單位:廣東佛山市第二中學(xué)華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院)