用于電容器充放電和低頻RC振蕩的演示記錄儀設計陳秉巖/周娟2（1.河海大學常州校區數理教學部，江蘇常州213022；2.河海大學常州校區信息中心，江蘇常州213022）電和低頻！C振蕩過程的儀器。該儀器能形象地模擬演示電容器充放電和低頻！C振蕩的全過程，并具有記錄電容器充放電的時間和記錄低頻！C振蕩周期（頻率）的功能。

　　目前在物理教學中，一般采用普通示波器來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振蕩的整個物理過程，使得學生對上述物理現象不易理解，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，具有設計思路新穎、演示功能強、經濟實用、操作方便等優點，有利于學生對抽象原理的理解和教學效果的提高。

　　1設計思路概述設計時主要采用了并行A/D轉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10等級電壓比較器，進行對比后顯示輸出。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，由面板上的撥動開關控制。同時，電路還具有電容器充放電時間記錄、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現對應的切換。整套儀器原理和控制流程如所示。

　　"各部分詳細功能和設計2.1電壓檢測電路與演示模塊設計電壓檢測電路由10等級電壓比較器構成，設計時采用了并行A/D轉換原理中等級電壓轉換部分的思想。

　　如所示，10個電阻將電壓FRef等分成10個等級，其中！0用于微調第10個電壓比較器的電壓的降壓，以便采用系統電壓！cc，當電容器充電充滿時，能使電壓比較器A10（由運算放大器LM324構成）起作用。

　　在參數設計時，10級電壓比較器的比較小分辨率近似為0.1！cc.采用10個電阻串聯，并把每個電阻分壓后的值作為每1級電壓比較器的電壓，經歸一化后采用10個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。

　　儀器原理和控制框994-作者5簡介hi陳秉巖男，云南普洱人，助理。

　　2.2邏輯控制電路的設計該電路實現低頻RC電路的往復振蕩控制：頂層燈亮時開始控制繼電器對電容器的放電，直到底層燈熄滅為止；底層燈熄滅時開始控制繼電器對電容器的充電，直到頂層燈亮為止。通過如此反復控制來實現RC振蕩演示。

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

　　由時序圖可知C是"取非后再與！相或的結果，邏輯關系為C=是C經二分頻的結果。

　　相應的邏輯控制和驅動電路如所示。頂層信號！經74LS00構成的非門與底層信號"與非，經過D觸發器74F74構成二分頻器進行分頻處理（在D觸發器輸入端使用10k！的上拉電阻；保證！、"變量循環改變時，繼電器不會出現錯相供電'，再把前面的邏輯信號經三極管9013放大后，驅動繼電器工作。

　　2.3計數（時）器設計電路具有時間記錄、顯示和清零功能。比較大記錄時間為99.99s.采用元件為：有預置功能的加減計數器74LS192或MC40192）、譯碼驅動器4511、共陰數碼管、MC4069和D觸發器等。

　　邏輯控制電路時序邏輯控制和驅動電路計數器電路設計原理如所示，圖中只畫出1位10進制的情況。時鐘電路設計為200Hz方波，經二頻電路分頻后，用來觸發計數器計數。

　　3設計中幾個細節問題的討論與處理在設計整體電路時，為了充分利用集成電路和使儀器演示更準確逼真，在10等級電壓比較器的下半部分再加一個由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。

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

　　時，電容兩極的電動勢才能達到比較大值！cc的99%以上，同時只有充電或放電的電流在比較大值％cc的0.25%以下，才可近似認為電容器充電或放電已經完成。由此可根據儀器電容和限流電阻的大小粗略確定和驗證充電或放電時間進行低頻RC振蕩演示時，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振蕩網絡來進行粗略的演示驗證。

　　為了提高系統穩定性，可以采用7805制作系統的+5V穩壓電源。

　　4結束語本演示儀器設計思路新穎、演示功能強，采用比較常用的電子元器件，經濟實用、操作方便，彌補了普通示波器演示的不足，在實際使用中使學生對電容器充放電、低頻RC振蕩的物理現象及原理的理解更加深刻，收到了較好的教學效果。