用于電容器充放電和低頻RC振蕩的演示記錄儀設(shè)計(jì)陳秉巖/周娟2（1.河海大學(xué)常州校區(qū)數(shù)理教學(xué)部，江蘇常州213022；2.河海大學(xué)常州校區(qū)信息中心，江蘇常州213022）電和低頻！C振蕩過(guò)程的儀器。該儀器能形象地模擬演示電容器充放電和低頻！C振蕩的全過(guò)程，并具有記錄電容器充放電的時(shí)間和記錄低頻！C振蕩周期（頻率）的功能。

　　目前在物理教學(xué)中，一般采用普通示波器來(lái)演示電容器充放電和低頻！C振蕩。普通示波器由于受其頻段和性能的限制，不能穩(wěn)定地顯示輸出波形和形象地演示電容器充放電和低頻！C振蕩的整個(gè)物理過(guò)程，使得學(xué)生對(duì)上述物理現(xiàn)象不易理解，為此研制了一種新型電容器充放電/低頻！C振蕩演示儀。該儀器由比較常用的電子元器件組成，具有設(shè)計(jì)思路新穎、演示功能強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，有利于學(xué)生對(duì)抽象原理的理解和教學(xué)效果的提高。

　　1設(shè)計(jì)思路概述設(shè)計(jì)時(shí)主要采用了并行A/D轉(zhuǎn)換器原理的部分思想，將！C振蕩電路中電容器兩極的電壓輸入到一個(gè)10等級(jí)電壓比較器，進(jìn)行對(duì)比后顯示輸出。為了使電容器充放電及！C震蕩周期可選，演示儀分別提供了組電容和電阻值，由面板上的撥動(dòng)開(kāi)關(guān)控制。同時(shí)，電路還具有電容器充放電時(shí)間記錄、低頻！C振蕩演示、振蕩周期記錄、清零等功能。各功能之間由儀器控制面板上的控制按鈕實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的切換。整套儀器原理和控制流程如所示。

　　"各部分詳細(xì)功能和設(shè)計(jì)2.1電壓檢測(cè)電路與演示模塊設(shè)計(jì)電壓檢測(cè)電路由10等級(jí)電壓比較器構(gòu)成，設(shè)計(jì)時(shí)采用了并行A/D轉(zhuǎn)換原理中等級(jí)電壓轉(zhuǎn)換部分的思想。

　　如所示，10個(gè)電阻將電壓FRef等分成10個(gè)等級(jí)，其中！0用于微調(diào)第10個(gè)電壓比較器的電壓的降壓，以便采用系統(tǒng)電壓！cc，當(dāng)電容器充電充滿時(shí)，能使電壓比較器A10（由運(yùn)算放大器LM324構(gòu)成）起作用。

　　在參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，10級(jí)電壓比較器的比較小分辨率近似為0.1！cc.采用10個(gè)電阻串聯(lián)，并把每個(gè)電阻分壓后的值作為每1級(jí)電壓比較器的電壓，經(jīng)歸一化后采用10個(gè)2.4k！電阻。其中24！分壓器的電壓降小于0.001！cc，可以忽略不計(jì)。

　　儀器原理和控制框994-作者5簡(jiǎn)介hi陳秉巖男，云南普洱人，助理。

　　2.2邏輯控制電路的設(shè)計(jì)該電路實(shí)現(xiàn)低頻RC電路的往復(fù)振蕩控制：頂層燈亮?xí)r開(kāi)始控制繼電器對(duì)電容器的放電，直到底層燈熄滅為止；底層燈熄滅時(shí)開(kāi)始控制繼電器對(duì)電容器的充電，直到頂層燈亮為止。通過(guò)如此反復(fù)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)RC振蕩演示。

　　為邏輯控制電路中各個(gè)變量的時(shí)序圖。圖中，表示頂層燈的狀態(tài)，"表示底層燈的狀態(tài)，C表示！、"的邏輯關(guān)系輸出狀態(tài)，表示繼電器的輸出狀態(tài)；1和0表示燈的亮、滅狀態(tài)。

　　由時(shí)序圖可知C是"取非后再與！相或的結(jié)果，邏輯關(guān)系為C=是C經(jīng)二分頻的結(jié)果。

　　相應(yīng)的邏輯控制和驅(qū)動(dòng)電路如所示。頂層信號(hào)！經(jīng)74LS00構(gòu)成的非門(mén)與底層信號(hào)"與非，經(jīng)過(guò)D觸發(fā)器74F74構(gòu)成二分頻器進(jìn)行分頻處理（在D觸發(fā)器輸入端使用10k！的上拉電阻；保證！、"變量循環(huán)改變時(shí)，繼電器不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)相供電'，再把前面的邏輯信號(hào)經(jīng)三極管9013放大后，驅(qū)動(dòng)繼電器工作。

　　2.3計(jì)數(shù)（時(shí)）器設(shè)計(jì)電路具有時(shí)間記錄、顯示和清零功能。比較大記錄時(shí)間為99.99s.采用元件為：有預(yù)置功能的加減計(jì)數(shù)器74LS192或MC40192）、譯碼驅(qū)動(dòng)器4511、共陰數(shù)碼管、MC4069和D觸發(fā)器等。

　　邏輯控制電路時(shí)序邏輯控制和驅(qū)動(dòng)電路計(jì)數(shù)器電路設(shè)計(jì)原理如所示，圖中只畫(huà)出1位10進(jìn)制的情況。時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)為200Hz方波，經(jīng)二頻電路分頻后，用來(lái)觸發(fā)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。

　　3設(shè)計(jì)中幾個(gè)細(xì)節(jié)問(wèn)題的討論與處理在設(shè)計(jì)整體電路時(shí)，為了充分利用集成電路和使儀器演示更準(zhǔn)確逼真，在10等級(jí)電壓比較器的下半部分再加一個(gè)由24！電阻分壓作為電壓的電壓比較器。該電壓比較器可近似地分辨出小于0.001！cc的量作為低頻RC振蕩器的控制信號(hào)。

　　如果把限流電阻兩端的電壓直接加到運(yùn)算放大器LM324的同相端和反相端，則LM324的輸出狀態(tài)可以指示電流的流向，即：是流向電容還是從電容流出。

　　時(shí)，電容兩極的電動(dòng)勢(shì)才能達(dá)到比較大值！cc的99%以上，同時(shí)只有充電或放電的電流在比較大值％cc的0.25%以下，才可近似認(rèn)為電容器充電或放電已經(jīng)完成。由此可根據(jù)儀器電容和限流電阻的大小粗略確定和驗(yàn)證充電或放電時(shí)間進(jìn)行低頻RC振蕩演示時(shí)，由RC振蕩原理可知振蕩頻率/=（2"C）31，振蕩周期'=2"C.同樣也可選擇不同的RC振蕩網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行粗略的演示驗(yàn)證。

　　為了提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，可以采用7805制作系統(tǒng)的+5V穩(wěn)壓電源。

　　4結(jié)束語(yǔ)本演示儀器設(shè)計(jì)思路新穎、演示功能強(qiáng)，采用比較常用的電子元器件，經(jīng)濟(jì)實(shí)用、操作方便，彌補(bǔ)了普通示波器演示的不足，在實(shí)際使用中使學(xué)生對(duì)電容器充放電、低頻RC振蕩的物理現(xiàn)象及原理的理解更加深刻，收到了較好的教學(xué)效果。