rc电路实验系统的研制与教学试用研究

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rc电路实验系统的研制与教学试用研究

时间:2012-01-20 21:53 文章来源:转载

　　本文作者：王宁，张令坦，凌翠翠
　　第20卷第3期聊城大学学报(自然科学版)V01．20No．32007年9月JournalofLiaochengUniversity(Nat．Sci．)Sep．2007“RC电路实验系统’’的研制与教学试用研究王宁张令坦凌翠翠(中国石油大学(华东)物理科学与技术学院，山东东营257061)摘要阐述了自主设计开发的基于计算机数据采集技术“RC电路暂态过程研究实验系统”的工作原理与功能分析总结了将基于计算机数据采集技术的“RC电路实验系统”应用于大学物理实验教学中取得的明显效果．关键词计算机数据采集，RC电路，实验教学中图分类号G424．31文献标识码A文章编号16726634(2007)03010304物理实验是高校理工科学生必修的基础课程，是整个物理学教学中的重要环节，对培养学生的素质和能力具有重要作用，对于高素质创新型人才的培养有着不可替代的作用n]．但原有的实验普遍存在着手段落后，不仅费时，而且数据处理需要学生做大量的、枯燥的统计分游戏公测中析工作，学生对实验缺乏兴趣．已有研究表明，引入高水平的物理量计算机采集系统，开设以学生自主性学习为主的物理量采集系列实验，更新基础物理实验的教学内容，可以提高实验教学水平，为“培养高素质的创新人才”的目标服务．目前国内清华大学等高校是通过引进国外高水平的物理量计算机采集系统C2,s]，开设物理量采集系列实验．但是需要的经费比较多，一般学校难以做到．有鉴于此，我们自主设计开发了基于计算机数据采集技术的“RC电路实验系统”，在实验教学中取得了明显的效果，并节省了大量实验设备经费．1RC电路实验原理RC串联电路充放电原理图如图1所示，当K打到1时，电容充电，当打到2时，电容放电，电容两端的D充放电电压、充放电电流分别为：充电过程：f(￡)=告e1脚(1)虬(￡)=EiR=E(1一e-棚)(2)放电』、P1过程：i(￡)=一善e1傩(3)u，(￡)=Eel他)(4)令r=RC对(4)式两边取对数得到：lnU．(￡)=一÷￡+lnE，该曲线是一条直线．，图1RC串联电路图2电容充电曲线图3电容放电曲线图2和图3分别表示充电和放电时电容上电压随时间的变化规律．由上述讨论可知，充放电过程的快慢是由r的大小决定的，通常将这个乘积称为电路的时间常数r或弛豫时间．在电容放电过程中，其电压衰收稿日期：2007-0618104聊城大学学报(自然科学版)第20卷减到初始值的一半(或充电过程中，电容电压上升到终值的一半)所需要的时间称为半衰期，一般用Tt／：表示．2RC电路实验系统工作原理与功能2．1RC电路实验系统工作原理RC电路实验系统照片如图4所示，由RC串联电路、数据采集控制器、计算机组成．各部分之间通过导线和信号输入线连接，构成整个实验系统．系统工作原理如图5所示，其中关键部件是数据采集器．数据采集器将来自物理实验装置的模拟电信号转换为数字信号，并输入到计算机中．计算机是采集系统的控制中心，它一方面控制数据采集的工作过程，另一方面利用自身运算功能强大的特点，对数据进行分析和处理，并将结果通过显示器或打印机输出．图4实验系统照片该实验系统采用了计算机数据采集技术，配合数据采集控制器，利用VB开发上位机界面，通过RS一232实现与底层硬件通讯．将RC串联电路中的电压信号通过数据采集控制器采图5物理实验致据采集处理系统框图集并传送至计算机，利用实验软件完成数据的采集、处理．数据采集器中的A／D转换器即模／数转换器，是数据采集器的重要部件，能将某一确定范围内连续变化的模拟信号转换为分立的有限的一组二进制数，即数字信号．它的性能直接决定了数据采集器的整体性能，其主要指标有分辨率(位数)、转换速度等．实验中所用A／D转换器为12位精度，输出数字量通过RS一232接口输入到计算机中．数据一旦输入到计算机中，就可以利用计算机编程对其进行各种处理了．只需要简单的操作，RC电路暂态过程研究实验系统就可以完成本实验的主要工作．2．2RC电路实验系统的功能该系统测量界面采用了友好的人性化设计方案，操作者可以方便的进行参数设置、数据采集和数据处理．如利用该系统方便的采集到充放电过程电容两端的电压随时间的数据变化曲线，利用该曲线可以求得时间常数r和半衰期丁。／2，这个计算过程由该系统的数据处理功能完成，并显示计算结果及误差．(a)主界面(b)RC电路充电过程测量界面该实验数据及其测得的曲线都可以方便的进行保存，以备将来查询．概括地讲，该系统的主要功能有：(1)用户信息的输入(2)双通道数据的采集和显示(3)双通道实验图线的绘制(4)读实验图线以得到实验参数(5)计算实验结果和未知电容(6)开关量输入输出的手自动控‘c)RC电路放电过程测量界面．‘?L“u一’图线拟台操作界面制(7)串口状态监听和显示(8)实验数据图6Re电路葵验系统操作界面期验图线的保存(9)实验操作错误的提示和处理．图6(a)为本实验系统的主界面，设有系统设置、实验内容、窗口、帮助等操作菜单，并有练习使用、充电、放电、层叠、水平平铺、垂直平铺、排列图标、帮助、退出系统等快捷方式．图6(b)为充电研究的测量结果，当外界线路连接完毕后，利用该测量界面可以方便的进行参数设置，第3期壬宁等：“RC电路实验系统”的研制与教学试用研究105并利用计算机数据采集技术取得数据，该系统自动绘制充电电压随时间的变化曲线，根据时间常数和半衰期的定义，对充电曲线进行取点测量，取点操作后数据自动存入该界面的数据计算表格，待取点测量完成后，点击显示结果，时间常数和半衰期的计算结果及误差自动显示，并自动给出该次测量的设置参数．图为测量界面的最后显示结果．图6(c)为放电过程研究的测量界面，同样该系统自动绘制放电电压随时间的变化曲线，根据时间常数和半衰期的定义，对放电电曲线进行取点测量，取点操作后数据自动存入该界面的数据计算表格，待取点测量完成后，点击显示结果，时间常数和半衰期的计算结果及误差自动显示，并自动给出该次测量的参数设置．图6(d)为对电容放电过程采集的放电Ut曲线进行LnUt图线的操作界面，只需在放电研究测量界面点击LnUt图线快捷键，就会进入该测量界面，系统自动完成取对数的数据处理工作，并列出实验数据该界面还设置了拟合直线的功能，系统可以方便的拟合出该直线，并给出直线方程．3RC电路实验系统应用于基础物理实验教学的效果3．1促进了实验教学内容现代化，提升了基础物理实验教学水平该教学内容运用了先进的计算机数据采集技术，与传统的实验教学内容相比，不仅在内容上包含了现代化的实验手段，而且能够与实际应用紧密联系，提升了基础物理实验教学水平．3．2激发了学生的学习兴趣，培养了学生分析和解决问题的能力和刨新能力教学实验对学生加深所学理论知识的理解、增强动手能力都有积极的作用．计算机数据采集技术的引入，使同学们接触到了先进的实验设备和手段，极大的激发了学生的学习兴趣．根据网上实验预约的数据显示，该实验的预约次数排名一直位于前列，几乎每次实验都全部约满．从RC串联电路连接、电容两端信号的引入、数据采集控制器到计算机，学生通过自己动手连接整个实验系统，并利用”RC电路暂态过程研究实验系统”软件进行数据的采集和处理，熟悉了计算机数据采集的原理与过程，锻炼了电路连接的技能特别是实验中出现的各种错误，该系统的显示数据会有明显的反映，学生可以及时的查找问题所在．教师在授课过程中积极鼓励和引导学生独且思考、分析和解决问题，提高了同学们的自主实验能力．本实验系统采用的数据采集控制器为通用数据采集控制器，结合各种传感器及采集器上的一路DI／DO可以开发多种测控系统．对于部分基础好、实验技能突出，具备一定的计算机编程技术的同学，可以鼓励和引导他们开发新的实验项目或应用系统，有利于大学生创新能力的培养．3．3加深了学生对理论知识的理解在处理时间常数r和半衰期丁。／：的操作中，由于直接对玑￡曲线进行取点操作，可以帮助学生理解两个物理量的定义和物理意义．当时间t=r时，在充电Ut曲线上对应点的电压应为0．632E(E为最大值)，在放电Ut曲线上对应点的电压应为0．368E，而t=T。／：时，在曲线上对应点的电压为0．5E．因此，在充放电Ut曲线上要按照对应点来取点，如果取点有误，计算结果的误差就会很大，容易使同学们找到枣气的错误，纠正了在同学们在概念理解上的偏差．其次，如果RC串联电路以及与数据采集控制器的连接线路有误，采集出的数据曲线就会出现明显的偏差，有利于学生自主发现电路连接的错误．通过选择不同的充放电电阻测量充放电电哇B线，比较测得的Ut曲线，可以让同学看到时间常数对电容充放电快慢的影响，使同学们直观的理解了时间常数决定电容充放电快慢这一物理意义．3．4加强了大学物理实验课程与实际应用的联系，使学生“学有所得，学有所用”大学物理实验课程已不同于中学阶段的实验课程的主要任务是根据21世纪社会对人才的需要培养学生的各项能力“]，所以在大学物理实验中，必须加强大学物理实验课程与实际应用的联系．计算机数据采集技术是目前较为先进的应用技术，广泛应用于生产、科研和教学中，在教学内容讲授中，通过部分应用实例，使同学们认识到了该应用技术的重要性和实用性，加强了实验课程内容与实际应用的联系，使同学们感到“学有所得，学有所用”．很多同学在实验报告的实验总结部分写出了自己的心得体会，认为该实验不仅可以使自己学到了应用性强的实验技术，而且体会到了计算机数据采集技术与很多106聊城大学学报(自然科学版)第20卷实际应用的联系，提高了自身的实验技能，这对自己将来从事实际工作是非常有帮助的．3．5节约了成本，提高了实验教学效益随着微电子、计算机软硬件技术、网络技术等高速发展，以计算机采集和数据处理为核心的仪器技术越来越广泛地应用于教学、科研和生产中，并朝着高性能、多功能、集成化、网络化方向迅速发展，特别是在环境恶劣，人工根本难以读数的场合，以及参量变化很快，人工来不及读数的场合，相对于传统的测量方法，计算机数据采集具有独特的优势．但如果是采用购买成品的设备和配套轳件，成本较高．我们通过自主研发和购买部分仪器相结合的方式，建成的RC电路暂态过程研究实验系统，节省了大量设备购买费用将该实验系统运用教学活动中，利用计算机数据处理的强大功能，快速准确的对数据进行处理，存储和显示，节省了大量的人力和时间通过网络预约和实验室开放的热血传奇方式，最大可能的提高了仪器的使用效率，在教学中收到了很好的教学效果．参考文献E1]董有尔。
　　张天锸，唐晋娥。
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　　本文《“ＲＣ电路实验系统＂的研制与教学试用研究》 --- 作者：王宁，张令坦，凌翠翠

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