基于聲卡的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在電磁振蕩實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用數(shù)據(jù)采集開(kāi)關(guān)單元系列

1、基于聲卡的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在電磁振蕩實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用數(shù)據(jù)采集開(kāi)關(guān)單元系列一、項(xiàng)目背景在信息化社會(huì)的背景下，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ揭呀?jīng)不能滿(mǎn)足學(xué)生的學(xué)習(xí)需要了?，F(xiàn)代化測(cè)量技術(shù)引入中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不僅可以改善實(shí)驗(yàn)效果，也提升了實(shí)驗(yàn)的科學(xué)技術(shù)含量。因此傳感器和數(shù)字處理系統(tǒng)被引入到高中物理教學(xué)之中，它為中學(xué)物理教學(xué)的改革增加了一種新的手段，為培養(yǎng)學(xué)生的物理創(chuàng)造性思維能力起到了重要的作用。具體講，它可以使抽象的問(wèn)題形象化，從而使學(xué)生完整、清晰、形象地感知物理過(guò)程。但由于數(shù)據(jù)采集器價(jià)格昂貴，許多學(xué)校都沒(méi)有購(gòu)買(mǎi)配置，即使擁有，數(shù)量也很少，因此使數(shù)據(jù)采集器真正應(yīng)用于物理課堂教學(xué)和學(xué)生實(shí)驗(yàn)，受到了極大的限制。無(wú)論在過(guò)去還是當(dāng)

2、今的新課標(biāo)中，都同樣提倡教師合理地開(kāi)發(fā)利用身邊的各種器材和可用資源改善實(shí)驗(yàn)條件、課程資源。利用聲卡制作數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是利用了聲卡的數(shù)模轉(zhuǎn)換功能，將物理信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)輸出。聲卡是一種音頻范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡，通常的聲卡都是16位，采樣率為44.1kHz。聲卡是計(jì)算機(jī)的一個(gè)普通外設(shè)，已經(jīng)有成熟的底層支持，因此開(kāi)發(fā)起來(lái)成本低，兼容性好。二、項(xiàng)目結(jié)構(gòu)1基于聲卡的數(shù)據(jù)采集器雙聲道聲卡有左右聲道之分，因此可以實(shí)現(xiàn)兩路信號(hào)的同時(shí)采集。聲卡的輸入電壓是1.5V，為了避免損壞聲卡，需要將聲卡的輸入電壓限制在聲卡的承受范圍之內(nèi)，因此要加入信號(hào)調(diào)整電路。以提供合適的電壓。去除聲卡Linein輸入的隔直電容，制作信號(hào)

3、調(diào)整電路，通過(guò)US的卡為信號(hào)調(diào)整電路提供電源，信號(hào)調(diào)整電路輸出接至改造后的聲卡Linein輸入。各信道輸入連接線采用屏蔽線消除雜波，制作完成基于聲卡的數(shù)據(jù)采集器。2數(shù)據(jù)采集處理軟件數(shù)字存儲(chǔ)示波器軟件在VC6.0平臺(tái)上編寫(xiě)數(shù)字存儲(chǔ)示波器軟件（如圖1）,該軟件可分別設(shè)置雙通道信號(hào)的觸發(fā)類(lèi)型和單位幅度，可觀察某單一通道或雙通道振蕩波形及其李沙育圖形，通過(guò)軟件的mark功能可測(cè)量振蕩周期實(shí)現(xiàn)對(duì)US請(qǐng)卡的調(diào)整控制，數(shù)據(jù)的采集、顯示、分析、存儲(chǔ)等功能。三、應(yīng)用實(shí)例按照?qǐng)D2所示，搭建演示板，其中L為8W電感鎮(zhèn)流器，從鎮(zhèn)流器中點(diǎn)抽頭。將電話機(jī)變壓器的三個(gè)繞組進(jìn)行串聯(lián)，接出引線，其中1只變壓器鐵芯抽出待用，作為

4、外接用電感器。將470n電阻與3.5單聲道音頻插頭按圖3進(jìn)行連接。按照?qǐng)D4制作振蕩電路外接電路板。探究電磁振蕩實(shí)驗(yàn)中電感、電容、電阻對(duì)振蕩周期的影響把自制實(shí)驗(yàn)電路板、數(shù)據(jù)采集器（改造后的聲卡）以及計(jì)算機(jī)用相應(yīng)的導(dǎo)線和US噴據(jù)線連接起來(lái)。啟動(dòng)自編的虛擬數(shù)字示波器軟件，設(shè)置通道。通道1設(shè)定為“電流”，幅度可選10mA時(shí)間根據(jù)所選電感電容確定。通道2設(shè)定為“電壓”，幅度可選0.5V。演示、觀察阻尼振蕩的電流和電壓變化規(guī)律（LC振蕩電路電流變化規(guī)律）。K1接至a點(diǎn)，給電容充電，選中捕獲功能，K1接至b點(diǎn)，形成LC振蕩電路，捕獲振蕩波形。可以直觀地顯示出振蕩電路中電壓和電流兩路信號(hào)的振蕩波形及其相位關(guān)系

5、。利用mark功能可以測(cè)量出振蕩周期。探究電感、電容、電阻對(duì)振蕩周期的影響第一組實(shí)驗(yàn)：電容不變，改變電感通過(guò)K3可選擇內(nèi)部電感或外接電感。當(dāng)選擇外接電感時(shí)，可由J4接入外接電感。2個(gè)改造好的電話機(jī)變壓器可作為外接電感使用，改變電話機(jī)變壓器的抽頭位置或者通過(guò)改變鐵芯的插入與否、鐵芯的氣隙大小均可改變其電感量大小(本實(shí)驗(yàn)主要側(cè)重鐵芯變化對(duì)LC振蕩電路的影響)。通道1的時(shí)間刻度設(shè)為2.5ms,電容C=0.1wF?？招木€圈(可利用軟件的mark功能，測(cè)量振蕩的周期，大約0.373ms)：插入“E”字型鐵芯；加入“一”字型鐵芯，構(gòu)成“日”字型。還可通過(guò)改變鐵芯氣隙，從而改變電感的大小。本組實(shí)驗(yàn)是該項(xiàng)目的

6、重點(diǎn)，它在通常情況下即便使用數(shù)字實(shí)驗(yàn)室也是觀察不到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的，而且本組實(shí)驗(yàn)也開(kāi)闊了學(xué)生思維，培養(yǎng)了學(xué)生的發(fā)散思維和創(chuàng)新精神。第二組實(shí)驗(yàn)：電感不變，改變電容通過(guò)K2可選擇內(nèi)部電容或外接電容。當(dāng)選擇內(nèi)部電容時(shí)，通過(guò)S1可改變電容值，范圍為0.056UP47pP共11檔；選擇外接電容時(shí)，由J3接入外接電容。第三組實(shí)驗(yàn)：電容、電感不變，改變電阻選取適當(dāng)?shù)碾娙?、電感，通過(guò)J1加上470n可調(diào)電阻，形成RLC振蕩電路。時(shí)間定為1s直接測(cè)量出下列波形，然后逐一放大觀看，可以直觀比較：電阻為0時(shí)的阻尼振蕩，波形振蕩多個(gè)周期：電阻變大，波形衰減變快；電阻調(diào)到最大幾乎無(wú)法產(chǎn)生振蕩。教學(xué)中可根據(jù)需要采取不同的電容電

7、感組合方式，從而獲得理想的實(shí)驗(yàn)效果。通過(guò)軟件的測(cè)量功能可以定量測(cè)量振蕩周期與電容、電感的關(guān)系。第四組實(shí)驗(yàn)：演示無(wú)阻尼振蕩通過(guò)J2接人振蕩電路外接電路板，時(shí)間選為0.1s，接通電路板電源后看到起振過(guò)程，和信號(hào)逐漸穩(wěn)定的情況，當(dāng)切斷電源時(shí)，可觀察到阻尼振蕩的振蕩波形。使用李沙育圖形x-y模式觀測(cè)效果更好。四、創(chuàng)新點(diǎn)傳統(tǒng)的電磁振蕩實(shí)驗(yàn)是用指針式電流表觀察LC電路產(chǎn)生的振蕩電流，擺動(dòng)幅度小、次數(shù)少，不易觀察：用普通示波器可以看到真實(shí)的現(xiàn)象，但是不能保存分析。本項(xiàng)目解決了上述問(wèn)題，用改進(jìn)的US師卡實(shí)日t采集LC振蕩電路的電壓、電流信號(hào)，可由曲線測(cè)量出振蕩的周期和頻率，觀察電壓、電流的相位關(guān)系；還可通過(guò)改

8、變電路元件的參數(shù)，觀察電感和電容對(duì)LC振蕩電路的影響。在演示實(shí)驗(yàn)過(guò)程中觀察到的現(xiàn)象直觀，一改原來(lái)本章節(jié)只能使用理論講解，習(xí)題鞏固的缺憾，學(xué)生可以直觀地看到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，消化了難點(diǎn)，收到事半功倍的效果降低了對(duì)實(shí)驗(yàn)元件的要求。傳統(tǒng)的電磁振蕩實(shí)驗(yàn)需要高電壓、大電容、大電感才有可能觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。通過(guò)本系統(tǒng)可以得到很明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，降低了對(duì)實(shí)驗(yàn)元件的要求。該項(xiàng)目成本低，安裝方便。將百元左右的聲卡進(jìn)行改造，使其能夠采集低頻率乃至直流信號(hào)，通過(guò)自編軟件實(shí)時(shí)采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)了低成本高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能。大大降低了實(shí)驗(yàn)成本。而且該項(xiàng)目既適用于教師演示實(shí)驗(yàn)又適合學(xué)生開(kāi)展自主探究實(shí)驗(yàn)。實(shí)現(xiàn)了定量研究。此系統(tǒng)不僅適用于定性研究，也適用于定量研究。把真實(shí)采集到的數(shù)據(jù)，以圖線的形式呈現(xiàn)在學(xué)生面前，能使抽象的物理過(guò)程直觀化和圖形化，通過(guò)軟件的mark功能，方便準(zhǔn)確地測(cè)出周期的數(shù)值。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可擴(kuò)展性好，只要改變前端實(shí)