用于电容器充放电和低频RC振荡的演示记录仪设计陈秉岩\周娟2（1.河海大学常州校区数理教学部，江苏常州213022；2.河海大学常州校区信息中心，江苏常州213022）电和低频！C振荡过程的仪器。该仪器能形象地模拟演示电容器充放电和低频！C振荡的全过程，并具有记录电容器充放电的时间和记录低频！C振荡周期（频率）的功能。
目前在物理教学中，一般采用普通示波器来演示电容器充放电和低频！C振荡。普通示波器由于受其频段和性能的限制，不能稳定地显示输出波形和形象地演示电容器充放电和低频！C振荡的整个物理过程，使得学生对上述物理现象不易理解，为此研制了一种新型电容器充放电/低频！C振荡演示仪。该仪器由最常用的电子元器件组成，具有设计思路新颖、演示功能强、经济实用、操作方便等优点，有利于学生对抽象原理的理解和教学效果的提高。
1设计思路概述设计时主要采用了并行A/D转换器原理的部分思想，将！C振荡电路中电容器两极的电压输入到一个10等级电压比较器，进行对比后显示输出。为了使电容器充放电及！C震荡周期可选，演示仪分别提供了组电容和电阻值，由面板上的拨动开关控制。同时，电路还具有电容器充放电时间记录、低频！C振荡演示、振荡周期记录、清零等功能。各功能之间由仪器控制面板上的控制按钮实现对应的切换。整套仪器原理和控制流程如所示。
"各部分详细功能和设计2.1电压检测电路与演示模块设计电压检测电路由10等级电压比较器构成，设计时采用了并行A/D转换原理中等级电压转换部分的思想。
如所示，10个电阻将电压FRef等分成10个等级，其中！0用于微调第10个电压比较器的电压的降压，以便采用系统电压！cc，当电容器充电充满时，能使电压比较器A10（由运算放大器LM324构成）起作用。
在参数设计时，10级电压比较器的最小分辨率近似为0.1！cc.采用10个电阻串联，并把每个电阻分压后的值作为每1级电压比较器的电压，经归一化后采用10个2.4k！电阻。其中24！分压器的电压降小于0.001！cc，可以忽略不计。
仪器原理和控制框994-作者5简介hi陈秉岩男，云南普洱人，助理。
2.2逻辑控制电路的设计该电路实现低频RC电路的往复振荡控制：顶层灯亮时开始控制继电器对电容器的放电，直到底层灯熄灭为止；底层灯熄灭时开始控制继电器对电容器的充电，直到顶层灯亮为止。通过如此反复控制来实现RC振荡演示。
为逻辑控制电路中各个变量的时序图。图中，表示顶层灯的状态，"表示底层灯的状态，C表示！、"的逻辑关系输出状态，表示继电器的输出状态；1和0表示灯的亮、灭状态。
由时序图可知C是"取非后再与！相或的结果，逻辑关系为C=是C经二分频的结果。
相应的逻辑控制和驱动电路如所示。顶层信号！经74LS00构成的非门与底层信号"与非，经过D触发器74F74构成二分频器进行分频处理（在D触发器输入端使用10k！的上拉电阻；保证！、"变量循环改变时，继电器不会出现错相供电'，再把前面的逻辑信号经三极管9013放大后，驱动继电器工作。
2.3计数（时）器设计电路具有时间记录、显示和清零功能。最大记录时间为99.99s.采用元件为：有预置功能的加减计数器74LS192或MC40192）、译码驱动器4511、共阴数码管、MC4069和D触发器等。
逻辑控制电路时序逻辑控制和驱动电路计数器电路设计原理如所示，图中只画出1位10进制的情况。时钟电路设计为200Hz方波，经二频电路分频后，用来触发计数器计数。
3设计中几个细节问题的讨论与处理在设计整体电路时，为了充分利用集成电路和使仪器演示更准确逼真，在10等级电压比较器的下半部分再加一个由24！电阻分压作为电压的电压比较器。该电压比较器可近似地分辨出小于0.001！cc的量作为低频RC振荡器的控制信号。
如果把限流电阻两端的电压直接加到运算放大器LM324的同相端和反相端，则LM324的输出状态可以指示电流的流向，即：是流向电容还是从电容流出。
时，电容两极的电动势才能达到最大值！cc的99%以上，同时只有充电或放电的电流在最大值％cc的0.25%以下，才可近似认为电容器充电或放电已经完成。由此可根据仪器电容和限流电阻的大小粗略确定和验证充电或放电时间进行低频RC振荡演示时，由RC振荡原理可知振荡频率/=（2"C）31，振荡周期'=2"C.同样也可选择不同的RC振荡网络来进行粗略的演示验证。
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