电感电容在交流电路中的作用数字化演示教具

常万仁

目前，在高中物理教学中，关于“电感、电容对交流电路的影响”这部分内容，现有的演示教具存在一些问题。要想定量演示电感、电容在交流电路中的阻碍作用，需要较多的电子仪器，这些仪器不仅电路连接复杂，而且还需要很大的摆放空间，造價昂贵。为解决这个问题，我研制了利用电脑声卡的“电感电容在交流电路中的作用数字化演示教具”，实现了可定量演示相关教学内容。

设计制作

虚拟数控交流电源（音频功放器）

通过虚拟仪器开发软件Labview.利用电脑声卡编制一个可以使不同频率的信号混合在一起的数控交流电源，此电源可以使2个不同频率的信号混合在一起，也可以将噪声混合在一起，满足不同的实验需要，能够演示电感、电容在电路中的滤波作用。此电源频率的误差小于0.01%。

电源软件桌面设计，有2个频率设置编辑框，使用时通过键盘键入数据，设有3个幅度控制旋钮，分别是频率A旋钮、频率B旋钮和噪声旋钮，如：频率A为100Hz.频率B为400Hz.频率A旋钮幅度设置为4.噪声为0.频率B设置为0.所以，只能发出频率为100Hz的正弦波形。

电源硬件设计，功放采用TDA2004功放芯片，输出端设置ABC3个接线柱，AB2个接线柱相对直流电压为零，A对地电压为6v.B接线柱为交流音频输出电压，若有连接有正负极的电解电容，接AC 2个接线柱。此功放器不含电源，需外接12V电源，通过接线柱连接。

数控交流电源技术指标设计为：数控频率A50-20000Hz、数控频率B50-20000Hz、输出电压0-6V、输出电流0-1A、噪声为高频段广谱噪声。

电感电容电阻在交流电路中特性测量仪

传感器硬件设计

有了数控交流电源，还要将电路中的电感、电容两端的电压、电流传给电脑，由于电脑话筒输入的电压小于1v.且左右通道是共同的接地线，影响2块表的单独测量，所以需自制相应的硬件（传感器）使公共“地”分开。根据实验要求，每组数据采集，电压和电流都分为2挡就够用了，可用两刀四挡开关转换。为了将2路的公共“地”分开，采用隔离变压器，由于隔离变压器的输入电阻不可能很高，所以采用LM358进行阻抗变换和放大。现在小体积变压器的矽钢片铁芯不太好找，所以可用高频磁芯代替，磁芯可从废旧的日光灯电子镇流器中获得，虽然低频特性较差，但也能满足要求，用0.1的漆包线输入输出分别缠绕1200匝。

虚拟测量仪桌面设计

将示波器、相差计、电流表、电压表、频率计设计在一个桌面上，相当于5个仪器同时运用。虽然通过双通示波器可以看到相差，但是观察误差很大，所以加了数显相差计。

虚拟双通示波频谱仪

虚拟双通示波频谱仪用来直观地演示电容在交流电路中的滤波作用，其桌面设计如图4所示。

电流电压转换和量程选择开关

电流电压转换和量程选择开关如图5所示。

电感电容电阻演示板

电感电容电阻演示板如图6所示。

演示实验

本教具可以演示：①电容在交流电路中特性实验（见图7.其他实验演示图略）;②电容电阻串联在交流电路中特性实验;③电感在交流电路中通低频、阻碍高频的滤波作用实验;④电感和电阻串联在交流电路中特性实验。具体实验过程及数据分析略。

创新点

令应用Labview开发了一套可定性、定量、形象直观地演示电感电容电阻在交流电路中作用的数据采集软件。

应用电子技术研制了与上述软件配套的传感器硬件，巧妙地解决了电脑自带声卡的公共“地”不能分开的问题，使电压和电流的测量随意使用。

开发了应用电脑声卡由软件和简单的硬件结合，由多种交流信号混合的数控交流电源。

小结

采用计算机技术，通过自编电脑软件和自制硬件，设计了一个虚实结合的演示教具，实现了既能定性、形象直观地演示电感电容在交流电路中的作用，又能定量地演示或测量感、容、阻串并联在交流电路中的电流、电压、频率、相位、相差等数量关系。

利用电脑声卡完成了D/A、A/D转换和数据采集，配合简单的硬件制作，实现了数控交流电源、示波器、频率计、相差计、电压表、电流表6种虚拟仪器。6种仪器的输入和输出数据显示制作在一个桌面上，硬件与电脑连线使用电脑的话筒和耳机插孔，电路连接简单。

此教具的数控交流电源，由电脑声卡完成D/A转换，产生交流正弦波信号，由耳机插孔输出，经由TDA2040芯片功放，

产生0-5V可调电压，最大电流2A。此交流电源不是单一的交流信号，它是由2个幅度和频率可控的交流信号和1个噪声信号组成，3个信号可以混合在一起，用来演示电感电容在交流电路中的滤波作用。

此教具的电感电容电阻在交流电路中特性测量仪，由电脑话筒插孔输入2路交流信号，由自身声卡进行A/D转换，通过软件数据处理，实现了示波器、频率计、相差计、电压表、电流表5种虚拟仪器。

该项目获得第33届全国青少年科技创新大赛科技辅导员创新成果科教制作类一等奖。

专家评语

此教具主要由虚拟电感电容电阻在交流电路中特性测量仪，虚拟数控交流电源，虚拟双通示波频谱仪，感、容、阻特性示教板组成。项目原理科学、概念清晰、构思巧妙、设计合理，作品实用性强。项目选题新颖，具有实质性创新，对传统方法有突破。作品效果显著，制作规范，具有示范推广价值。希望项目在工艺方面作出改进和提升。