常萬仁

目前，在高中物理教學中，關于“電感、電容對交流電路的影響”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雜，而且還需要很大的擺放空間，造價昂貴。為解決這個問題，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”，實現(xiàn)了可定量演示相關教學內(nèi)容。

設計制作

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可以使不同頻率的信號混合在一起的數(shù)控交流電源，此電源可以使2個不同頻率的信號混合在一起，也可以將噪聲混合在一起，滿足不同的實驗需要，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%。

電源軟件桌面設計，有2個頻率設置編輯框，使用時通過鍵盤鍵入數(shù)據(jù)，設有3個幅度控制旋鈕，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旋鈕幅度設置為4.噪聲為0.頻率B設置為0.所以，只能發(fā)出頻率為100Hz的正弦波形。

電源硬件設計，功放采用TDA2004功放芯片，輸出端設置ABC3個接線柱，AB2個接線柱相對直流電壓為零，A對地電壓為6v.B接線柱為交流音頻輸出電壓，若有連接有正負極的電解電容，接AC 2個接線柱。此功放器不含電源，需外接12V電源，通過接線柱連接。

數(shù)控交流電源技術指標設計為：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量儀

傳感器硬件設計

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塊表的單獨測量，所以需自制相應的硬件（傳感器）使公共“地”分開。根據(jù)實驗要求，每組數(shù)據(jù)采集，電壓和電流都分為2擋就夠用了，可用兩刀四擋開關轉換。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進行阻抗變換和放大?，F(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。

虛擬測量儀桌面設計

將示波器、相差計、電流表、電壓表、頻率計設計在一個桌面上，相當于5個儀器同時運用。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。

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，其桌面設計如圖4所示。

電流電壓轉換和量程選擇開關

電流電壓轉換和量程選擇開關如圖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。

演示實驗

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

創(chuàng)新點

令應用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。

應用電子技術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，使電壓和電流的測量隨意使用。

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

小結

采用計算機技術，通過自編電腦軟件和自制硬件，設計了一個虛實結合的演示教具，實現(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)量關系。

利用電腦聲卡完成了D/A、A/D轉換和數(shù)據(jù)采集，配合簡單的硬件制作，實現(xiàn)了數(shù)控交流電源、示波器、頻率計、相差計、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)顯示制作在一個桌面上，硬件與電腦連線使用電腦的話筒和耳機插孔，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轉換，產(chǎn)生交流正弦波信號，由耳機插孔輸出，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，它是由2個幅度和頻率可控的交流信號和1個噪聲信號組成，3個信號可以混合在一起，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量儀，由電腦話筒插孔輸入2路交流信號，由自身聲卡進行A/D轉換，通過軟件數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)了示波器、頻率計、相差計、電壓表、電流表5種虛擬儀器。

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

專家評語

此教具主要由虛擬電感電容電阻在交流電路中特性測量儀，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。項目原理科學、概念清晰、構思巧妙、設計合理，作品實用性強。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。希望項目在工藝方面作出改進和提升。