一種電學科普儀的制作方法

屬于教學儀器演示領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

創(chuàng)新是民族之魂，青年學生是創(chuàng)新的力量。

國家的強盛在于人材，人材的培養(yǎng)在于教育。教育的重點青少年，少年強則國強，少年進步則國進步，要培養(yǎng)少年對科學的熱愛，提高教學質(zhì)量是關(guān)鍵，而實驗儀器的精準是提高教學的一個重要因素，實驗儀器好，所做的實驗更具說服力，從而使學生認識事物，了解自然現(xiàn)象，啟發(fā)學生的思維，對提高教育水平起到重要作用。因此，教學中的各種實驗儀器都在不斷的提升，但卻還存在著很多不足之處：一是實驗儀器的種類不足，特別是針對低年級學生的實驗儀器還不全面。二是教學儀器中寓教于樂的精神還不夠，三是現(xiàn)在多數(shù)教學儀器的成本太高，因而對一些偏遠的村莊學校，還不能普及到很多普遍的教學儀器。

電學是物理學中最重要的一種門類，充滿神奇的電學實驗，能激發(fā)少年的興趣，同時對建立電學的基本概念有著重要的作用，如果能研制一種優(yōu)秀的試驗電路，而這種試驗電路即能將抽象的將電學部分概念與定律形象化，顯然對受教育者有有著積極的幫助。如果這種電路又能成為初學者的自制試驗電路，無疑將對提升學生的素質(zhì)教育有著積極的意義。

但是要設(shè)計一種具有一種演示儀器的電路同時又能成為初學者的自制試驗電路存在著難點，一是從演示效果上， 由于電學中的概念很多，是作那方面的演示，二是本儀擬定主要是針對電容、電感等與頻率有緊密聯(lián)系的元件作物理性質(zhì)的演示，而要作那幾方面的演示，才能將其物理性得到充分的展示，三是，特別重要的一點是，盡管一些線路能達到演示目的，但不能成為一種優(yōu)秀的自制實驗電路，因為一種優(yōu)秀的自制實驗電路還遷涉各單元實驗主題宜于初學者，同時還遷涉初學者的趣味性，以及是否易安裝成功等等系列問題，所以這類優(yōu)秀線路還必須豐富、創(chuàng)新、發(fā)展。

本發(fā)明就是以集成運放作為一種基本有源件，作為單元的有源要件，可以組成多種功能的邏輯關(guān)系，從而拓展學生的思維。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明就是以集成運放作為一種基本有源件，作為單元的有源要件，可以組成多種功能的邏輯關(guān)系，成為一種優(yōu)秀的電路，其目的一是該線路可以成為一種科普儀，通過這種科普儀演示可以著重了解抗性元件結(jié)構(gòu)與與頻率的緊密的聯(lián)系，進而理解容抗與感抗的意義，從而讓初學者打下一定的電學基礎(chǔ)，這種演示儀可以成為一種在廣大學校普及的儀器。二是該儀器因具有光與聲的三種色彩的顯示，因此具有一定的趣味性，能培養(yǎng)起廣大青少年對科學的熱愛。三是成為一種優(yōu)秀的制作實驗線路，該電路具有多種特點，因而有利于制著，對提高學生的基本素質(zhì)有著積極作用。

本發(fā)明所采用的措施是：

1、一種電學科普儀由比例放大部分，靜態(tài)平衡部分，前置部分，顯示系統(tǒng)，演示電源，運放集成開關(guān)，語音級共同組成。

其中：運放集成開關(guān)由開關(guān)按鈕、正相端上偏電阻、正相端下偏電阻、三個運放單元、引導二極管、引導電阻、引導電容、接地電阻、狀態(tài)指示、交叉電阻組成：開關(guān)三單元的負相端接按鈕開關(guān)的一端，按鈕開關(guān)另一端接地線，接地電阻接在開關(guān)三單元的負相端與地線之間，開關(guān)三單元的輸出端接兩引導電容的一端，第一引導電容的另一端為三路，第一路接開關(guān)三單元的正相端，第二路接引導電阻到開關(guān)一單元的輸出端，第三路接第一引導二極管的負極，第一引導二極管的正極接開關(guān)一單元的負相端，第二引導電容的另一端為兩路，一路接第二引導二極管到開關(guān)二單元的負相端，另一路接第二引導電阻到開關(guān)二單元的輸出端，開關(guān)一單元的輸出端接交叉電阻一到開關(guān)二單元的負相端，開關(guān)二單元的輸出端接交叉電阻二到開關(guān)一單元的負相端，開關(guān)一單元與開關(guān)二單元的正相端相連，接正相端上偏電阻與正相端下偏電阻的串聯(lián)點，正相端上偏電阻與正相端下偏電阻串聯(lián)在電源與地線之間，開關(guān)一單元與開關(guān)二單元的輸出端各接一個狀態(tài)指示到地線，開關(guān)二極管的輸出端即是運放集成開關(guān)的輸出，接隔離二極管的負極隔離二極管的正極接演示電源中前級運放器的負相端。

演示電源由前級運放器、后級運放器、運放上偏電阻、運放下偏電阻、積分電阻、積分電容組成：前級運放器的輸出端與正相端之間接運放上偏電阻，運放下偏電阻接在前級運放器的正相端與地線之間，前級運放器的輸出端與負相端之間接積分電阻，積分電容接在前級運放器的負相端與地線之間，前級運放器的輸出端接后級運放器的正相端，后級運放器的負相端與后級運放器的輸出端相接，后級運放器的輸出端接測試孔一。

比例放大部分由比例放大器、輸入電阻、比例上偏電阻、比例下偏電阻組成。

靜態(tài)平衡部分由平衡可調(diào)電阻、平衡接地電阻、平衡穩(wěn)壓管、平衡射隨器組成。

比例放大器的正相端接輸入電阻到測試孔二，比例放大器的輸出端與負相端之間接比例上偏電阻，比例下偏電阻接在比例放大器的負相端與地線之間，比例放大器的輸出端接平衡可調(diào)電阻的一端，平衡可調(diào)電阻的另一端為兩路，一路接平衡接地電阻，另一路接平衡穩(wěn)壓管到平衡射隨器的正相端，平衡射隨器的負相端接平衡射隨器的輸出端，平衡射隨器的輸出端接前置部分中多點式分壓電路的第一級分壓穩(wěn)壓管。

前置部分由比較電路、多個前置激勵運放器與多個多點式分壓電路組成；多點式分壓電路由多個分壓穩(wěn)壓管、多個分壓電阻、多個接地電阻組成；多個分壓穩(wěn)壓管串聯(lián)，每個分壓穩(wěn)壓管并聯(lián)一個分壓電阻，每個穩(wěn)壓管的負極即是一個分壓輸出點，每個分壓輸出點接一個接地電阻到地線，直到最后一個分壓點，最后一個分壓穩(wěn)壓管的負極接地線，其正極接前一個分壓穩(wěn)壓管的負極，第一個分壓穩(wěn)壓管的正極接平衡射隨器的輸出端。

每個分壓輸出點接一個前置激勵運放器的正相端，所有前置激勵運放器的負相端相連，接一個比較電路，前置激勵運放器的輸出端作為顯示系統(tǒng)中顯示級的電源端。

語音級由多個發(fā)聲器組成。

顯示系統(tǒng)由多個顯示級組成。

每個顯示級均由同相上偏電阻、同相下偏電阻、三個顯示器、三個交連電容、三個交連電容充電電阻、三個顯示支路，三個負端下偏電阻、三個負端上偏電阻、三個鉗位二極管組成。

顯示器的同相端接在一起，與電源端接一個同相上偏電阻，與地線之間接一個同相下偏電阻。

三個顯示器的輸出各接一個顯示支路。

每個顯示器的負相端與電源端之間接一個負端上偏電阻，與地線之間接一個負端下偏電阻。

第一交連電容的一端為兩路，一路接第一交連電容交連充電電阻到電源端，另一路接第一鉗位二極管到第一顯示器的輸出端，第一交連電容的另一端接第二顯示器的負相端，第二交連電容的一端為兩路，一路與電源接第二交連電容充電電阻，一路接第二鉗位二極管到第二顯示器的輸出端，第二交連電容的另一端接第三顯示器的負相端，第三交連電容的一端為兩路，一路與電源之間接第三交連電容充電電阻，另一路接第三鉗位二極管到第三顯示器的輸出端，第三交連電容的另一端接第一顯示器的負相端。

每個顯示級中第三顯示器的輸出與電源端之間接一個發(fā)聲器。

2、顯示器、前置激勵運放器、平衡射隨器、比例放大器、前級運放器、后級運放器、開關(guān)一單元、開關(guān)二單元、開關(guān)三單元均采用運算放大器LM324。

3、比較電路由兩個電阻串聯(lián)在電源與地線之間，其中間串聯(lián)點接前置激勵器的負相端。

對上述措施的意義解釋如下：

一、整個電路圖所產(chǎn)生的原理。

本發(fā)明的演示電源是用運算集成放大器了一種RC振蕩器，它可以轉(zhuǎn)換成具有頻率的脈沖電源，也可以成為一種頻率為零的電源，即是直流電流，由運放集成開關(guān)切換，這種切換開關(guān)也是由運算放大器組成。當演示電學線路中的參數(shù)元件電阻，電容、電感時，連在測試孔兩端時，與演示電源成為了串聯(lián)關(guān)系，演示電源產(chǎn)生的電流經(jīng)過測試孔兩端元元件降壓后，進入到比例放大部分，進行放大，經(jīng)過靜態(tài)平衡部分后，再進入前置部分，前置部分有多個分壓輸出點，每個分壓輸出點直接控制了前置激勵運放器，每個前置激勵運放器的輸出成為一個顯示級的電源端。當分壓輸出點無電壓時，封閉了對應(yīng)的前置激勵運放器。從而對應(yīng)顯示級不工作。由此可知，靜態(tài)平衡部分輸出信號越強，前置部分中高位輸出分壓輸出點越多，因而所激勵顯示級越多。從而達到了對電阻，電容、電感的演示效果。

在整體設(shè)計上，本發(fā)明一是可以作為一種優(yōu)秀的演示儀，二是可以作為一種引導青少年實驗制著的優(yōu)秀實驗線路。

對于優(yōu)秀的演示儀的功能上，為演示效果豐富，本措施注意到了以下幾點：

在演示電源的設(shè)計上，一是可以切換成具頻率的脈沖電源形式，又可以成為頻率為零即是直流的形式，用兩種不同的電源，可以增進對抗性元件的了解。因為兩種電源對頻率元件將產(chǎn)生非常不同的效果。二是增加的頻率可調(diào)，因此不僅可以演示抗性元件在有頻率與直流的兩種特殊，可以進一步觀察頻率高低對元件的影響。三是與運放集成開關(guān)配合后，使用方便，指示清楚。

由于比例放大部分與靜態(tài)平衡部分的科學配合，在可以對脈沖頻率電流與直流電進行放大的同時，無信號時輸出為零，即是不產(chǎn)生靜態(tài)靜態(tài)位移，三是放大倍數(shù)可調(diào) 從而提升了產(chǎn)品性能。

在演示效果上一是采用了光與聲效果。其中光顯示效果為流水型式，延伸式，有趣味。

可以作為一種引導青少年實驗制著的優(yōu)秀實驗線路。主要是有以下特點，有利于激發(fā)青年的學習熱情，有利于提高學生的素質(zhì)教育。一是注重了主題突出，本電種突出了運算放大集成電路認識，因為所有單元均是由一種型號放大集成電路單元組成。品種單一，能避免初學者產(chǎn)生繁而厭學的情況。二是一種型號的運算放大器，經(jīng)過演變，成為了四種簡單的放大線路，因而可以引導初學者積極思維，拓展想象空間，有利于提高素質(zhì)教育。三是各單元相對獨立，各單元聯(lián)系科學，調(diào)試簡單，基本上一裝就成。各單元檢查時有一定趣味性，這些特點有利于初學者動手試驗。

二、演示電源的說明。

該單元由前級運放器（圖1中的2.1）、后級運放器（圖1中的2.2）、運放上偏電阻（圖1中的2.3）、運放下偏電阻（圖1中的2.4）、積分電阻（圖1中的2.5）、積分電容（圖1中的2.7）組成。

其中由前級運放器、運放上偏電阻、運放下偏電阻、積分電阻、積分電容組成了一種振蕩電路，后級運放器成了射隨放大器，形成的振蕩原理是。

在線路中積分電容與積分電阻形成了振蕩頻率的時間常數(shù)，其原因是，當電阻越大，則對電容充電的時間越長，反之時間越短，因而調(diào)節(jié)可以調(diào)試振蕩頻率，振蕩電阻由可調(diào)電阻與固定電阻串聯(lián)而成，其中的固定電阻是對可調(diào)電阻的一種限制，使其頻率在可調(diào)的一定區(qū)間內(nèi)。

其中射隨放大器具有很高的輸入阻抗，與負載形成隔離，因而能保證振蕩的性能。所以該單元線路可靠，為整體電路即產(chǎn)品的性能奠定了良好的條件。

三、運放集成開關(guān)的說明。

該開關(guān)由開關(guān)按鈕（圖1中的1.0）、開關(guān)一單元（圖1中的1.1）、開關(guān)二單元（圖1中的1.2）、開關(guān)三單元（圖1中的1.3）、第一引導電容（圖1中的1.4）、第一引導二極管（圖1中的1.5）、第一引導電阻（圖1中的1.6）、第二引導電容（圖1中的1.7）、第二引導二極管（圖1中的1.8）、第二引導電阻（圖1中的1.9）、正相端上偏電阻（圖1中的1.11）、正相端下偏電阻（圖1中的1.12）、交叉電阻一（圖1中的1.15）、交叉電阻二（圖1中的1.25）、開關(guān)一單元狀態(tài)指示（圖1中的1.19）、開關(guān)二單元狀態(tài)指示（圖1中的1.29）、隔離二極管（圖1中的1.28）組成。

其主要目的是控制演示電源的工作狀況，使演示電源成為有頻率的測試源，或是成為頻率為零的直流電源，讓觀看者了解抗性元件在這兩種電源的情況下，的物理現(xiàn)象。從而揭示抗性元件與頻率的關(guān)系。

開關(guān)對演示電源的控制邏輯是，運放集成開關(guān)的第二單元的輸出端邏輯控制端，通過隔離二極管連接了演示電源中前級運放器的負相端，運放集成開關(guān)的輸出端為低位時，前級運放器反相端被鉗位為負，前級運放器輸出端為高位，停振。但其高位信號激勵了后級運放器的同相端，所以后級運放器輸出高位，即是直流。運放集成開關(guān)的輸出端為高位時，不影響演示電源，對振蕩無影響。

運放集成開關(guān)具備三特性，一是具有輸出端在按鈕的配合下，可以輸出高位信號，也能輸出低位信號，二是具有自保持特性，即是一種輸出信號能自保持到下次按鈕操作新的信號到來之前。三是邏輯可靠。同時增加狀態(tài)指示容易。

形成的原理是，開關(guān)中第一單元與第二單元的輸入端經(jīng)過交叉電阻后相互連接成了一種正反饋電路，當?shù)谝粏卧妮敵鰹楦呶粫r，經(jīng)過交叉電阻傳到第二單元的反相端后，其輸出為低，反之當?shù)谝粏卧妮敵鰹榈臀粫r，經(jīng)過交叉電阻傳到第二單元的反相端后，其輸出為高。其中交叉電阻起了重要的隔離作用，即是當在其中之一單元的輸入端加入高位或低位信號時，不受另一單元輸出端的影響。第一單元與第二單元的反相端連接的二極管分別稱為為第一引導二極管與第二引導二極管，并成為了兩個輸入觸發(fā)端，當兩輸入端其中一位為負壓時，一位為正信號時，將實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)。其原因是負向信號的一端的單元的輸出端將為高位，經(jīng)過交叉電阻的正反饋傳遞，另一單元的輸出端將成為低位。

第三單元是引起第一與第二單元翻轉(zhuǎn)的引導單元，當該單元輸出端為高時，可以通過引導電容引導電阻與第一單元或第二單元的低位輸出端形成充電回路。

在通電時，當開關(guān)按鈕沒有按下時，按鈕常開觸點為斷開，沒有連接電源，而第三單元的反相端因連接了電阻到地線為低位，其輸出端為高位。如果此時第一單元的輸出為低位，則第三單元輸出端將與第一引導電容、第一引導電阻、第一單元的輸出端形成充電回路。而與第二引導電容、第二引導電阻、第二單元的輸出端形成斷路。按鈕常開觸點為閉合時，第三單元的輸入端為高位，輸出端為低位，第一引導電容因不能躍變其負極成為負壓狀態(tài)。經(jīng)過第一引導二極管的傳遞。第一單元輸入端為負，從而而第一單元輸出端將由低位變?yōu)楦呶?。第二單元輸出端將由高位變?yōu)榈臀?，實現(xiàn)了翻轉(zhuǎn)。

當按鈕常開觸點再次斷開時，第三單元的高位輸出端與第二引導電容、第二引導電阻、第二單元的輸出端形成充電回路。而與第一引導電容、第一引導電阻、第一單元的輸出端形成斷路。按鈕常開觸點為閉合時，第三單元輸出端為低位，第二引導電容因不能躍變其負極成為負壓狀態(tài)。經(jīng)過第二引導二極管的傳遞。第二單元負相端為低，從而第二單元輸出端為高位，再次實現(xiàn)了翻轉(zhuǎn)。即是第一單元輸出端將由高位變?yōu)榈臀弧５诙卧敵龆藢⒂傻臀蛔優(yōu)楦呶唬瑢崿F(xiàn)了翻轉(zhuǎn)。

以后的翻轉(zhuǎn)原理同前。

采用運放集成開關(guān)后主要有以下突出的好處，一是配套的按鈕是一種輕觸鈕，同時也便于安裝狀態(tài)指示。整體高檔，受用，二是按鈕開關(guān)在生產(chǎn)時不產(chǎn)生飛線，可以直接和印刷板產(chǎn)生聯(lián)系，因而可進一步保證產(chǎn)品質(zhì)量。三是按鈕屬一種普通元件，易于購買。四作為試驗線路時，有源件統(tǒng)一，由運放電路的比較放大器演變組成，便于初學者試驗制著。五是在采用統(tǒng)一的運放集成的條件下，邏輯可靠，外圍件少。線路簡潔。

四、關(guān)于比例放大部分與靜態(tài)平衡部分的說明。

比例放大部分由比例放大器（圖1中的5.1）、輸入電阻（圖1中的5.2）、比例上偏電阻（圖1中的5.3）、比例下偏電阻（圖1中的5.5）組成；靜態(tài)平衡部分由平衡可調(diào)電阻（圖1中的6.1）、平衡接地電阻（圖1中的6.2）、平衡穩(wěn)壓管（圖1中的6.3）、平衡射隨器（圖1中的6.5）組成。

該電路的主要目的是，當抗性元件如電感 ，經(jīng)過演示電源后，會產(chǎn)生電壓低落的情況，如果直接激勵顯示單元，有可能發(fā)生顯示不夠清楚的情況，而經(jīng)過該電路放大后，能量有所提升，因而是顯示效果更加宏觀。

比例放大部分與靜態(tài)平衡部分共同配合后具有四項重的特性，一是具有良好的放大特性，二是提升電路的輸入無信號時，輸出無信號，即是輸出不產(chǎn)生附加靜態(tài)電位，三是均由運放集成電路組成，統(tǒng)一有源件型號，以突出主題。。四是具有放大倍率的可調(diào)，因而適應(yīng)面更寬。其演示效果更好。五是對脈沖頻率電源信號，或直流信號均有放大作用。

比例放大器接成了典型的同相輸入比例放大線路，這種放大線路因為沒有隔直電容，所以對有頻率的信號與直流均能放大。但是這種放大電路的輸出，存在靜態(tài)電壓，即是當輸入端無信號時，仍有輸出電壓，所以本發(fā)明增加了靜態(tài)平衡部分。平衡可調(diào)電阻（圖1中的6.1）、平衡接地電阻（圖1中的6.2）、平衡穩(wěn)壓管（圖1中的6.3）、平衡射隨器（圖1中的6.5）組成。

靜態(tài)平衡部分由平衡可調(diào)電阻、平衡接地電阻的平衡電路，平衡穩(wěn)壓管及平衡射隨器共同組成。形成的原理是，在沒有被測物體時，其比例放大器的靜態(tài)輸出電壓經(jīng)過平衡電路的分壓后，靜態(tài)輸出電壓會減少，再經(jīng)過穩(wěn)壓管的降壓后，平衡射隨器的輸入會成為零信號的形式，從而達到了要求。在消除靜態(tài)電壓中，所串聯(lián)的平衡穩(wěn)壓管起主要作用，平衡電阻起次要作用，它的主要作用是起微調(diào)分壓作用，使其分壓值小于等于平衡穩(wěn)壓管值，從而使平衡射隨器輸出級為零。

兩部分組成后，有三項突出的優(yōu)點：

一是靜態(tài)平衡后，輸入信號為零時，輸出端為零。不產(chǎn)生附加靜態(tài)電位。

二是對頻率的電信號或直流信號均能放大，而且倍率可調(diào)。

三是具有很強的負載能力。

五、前置部分的說明。

本部分由由比較電路、多個前置激勵運放器與多個多點式分壓電路組成；多點式分壓電路由多個分壓穩(wěn)壓管、多個分壓電阻、多個接地電阻組成。

A、多點式分壓電路線路特點是由多個參數(shù)相當?shù)姆謮悍€(wěn)壓管串聯(lián)而成，每個分壓穩(wěn)壓管并聯(lián)一個分壓電阻，每個分壓穩(wěn)壓管對連接有電阻，成為該分壓穩(wěn)壓管的對地通道，同時成為了一個輸出端，所以該線路是一個具有多點輸出的電路。而且每個輸出點連接了前置激勵運放器。

當該輸出點無電壓時，因該點接地電阻的存在，可以認為該輸出點為低位。反之有電壓輸出，且值高于受控門坎后，可以認為是高位。

B、每個前置激勵運放器的同相端連接了輸出端點，所以當此電壓高于比較端電壓時，輸出端輸出高位激勵對應(yīng)連接的顯示級，使之工作。反之對應(yīng)連接的顯示級不工作。

C、當前級靜態(tài)平衡單元的輸出的電壓高，則能擊穿的分壓穩(wěn)壓管的數(shù)量越多。

六、光顯示單元的說明。

顯示系統(tǒng)由多個顯示級組成。

每個顯示級均由同相上偏電阻、同相下偏電阻、三個顯示器、三個交連電容、三個交連電容充電電阻、三個顯示支路，三個負端下偏電阻、三個負端上偏電阻、三個鉗位二極管組成。顯示級中顯示支路中發(fā)光管的狀態(tài)特點是：成為流水式。發(fā)光管發(fā)亮為動感。信號越強，顯示支路發(fā)光越多，發(fā)光管亮得越遠，其竟夜是將抽象的電流比喻成水流。

每個顯示級的線路結(jié)構(gòu)一樣。所以只用其中的一個顯示級說明。

發(fā)光管具體亮的規(guī)律是：在電路穩(wěn)定后，顯示級內(nèi)先是第一個顯示支路中的發(fā)光管亮，第二個顯示支路、第三個顯示支路的發(fā)光管熄，之后是第二個顯示支路的發(fā)光管亮，第一個、第三個顯示支路的發(fā)光管熄。再次之為第三個顯示支路的發(fā)光管亮，第一個、第二個顯示支路的發(fā)光管熄。然后循環(huán)。

其原因是：前置部分中的多點式分壓電路的輸出點無電壓時，所連接的所有激勵比較放大器同相端均低于比較放大端電壓，所以無輸出，顯示單元的發(fā)光管無電源，所以均不亮。

前級前置部分的分壓輸出點成高位時，所連接的激勵比較放大器同相端高位，因而有輸出，顯示級的發(fā)光管具有工作電壓工作，先成為過渡態(tài)，繼而成為穩(wěn)定態(tài)的閃亮狀態(tài)。

形成過閃亮的渡態(tài)過程是。

因為顯示器都焊成了比較放大器，而第一顯示器（圖2中的9.11）負相端所連接的負端上偏電阻（圖2中的9.115）比第二、第三顯示器的負端上偏電阻小。因此第一顯示器負相端電壓高于同相端，所以輸出端為低，第一顯示支路的發(fā)光管亮。第二、第三顯示器的輸出端為高位，所帶的顯示支路的發(fā)光管熄。

第二顯示器負端上偏電阻（圖2中的9.125）向第一交連電容（圖2中的9.112）充電，當電壓超過第二顯示器負相的輸入電壓時，第二顯示器輸出端為低位，第二顯示支路（圖2中的9.121）的發(fā)光管亮，此時第三顯示器負端上偏電阻（圖2中的9.125）向第二交連電容充電（圖2中的9.122），當電壓超過第三顯示器（圖2中的9.13）的負相端輸入電壓時，第三顯示器輸出端為低位，第三顯示支路（圖2中的9.131）的發(fā)光管亮，由于此時第三交連電容（圖2中的9.132）電壓不能路躍變，所以第一顯示器反相端電壓成負壓，輸出端為高位，所帶顯示支路的發(fā)光管為熄。此時過渡狀態(tài)結(jié)束。以后亮的規(guī)律成為穩(wěn)定的閃亮規(guī)律狀態(tài)。

即是當?shù)谝伙@示器輸出端為高位后，第一交連電容充電電阻（圖2中的9.114）、第一交連電容（圖2中的9.112）及第二顯示器負端下偏電阻（圖2中的9.126）成為充電回路，第二顯示器負相端為高位，輸出端為低位，所帶的顯示支路的發(fā)光管亮。當?shù)谝唤贿B電容充電完畢，成隔離狀態(tài)，第二顯示器負相端為低位，輸出端為高位，所帶的顯示支路的發(fā)光管熄。當?shù)诙@示器輸出為高時，第二交連電容充電電阻（圖2中的9.124）、第二交連電容（圖2中的9.122）及第三顯示器負端下偏電阻（圖2中的9.136）成為充電回路，第三顯示器負相端為高位，輸出端為低位，第三顯示支路（圖2中的131）亮。因為第三交連電容（圖2中的132）不能躍變，第一顯示器的負相端呈現(xiàn)負壓，所以第一顯示器輸出為高位，所帶顯示支路的發(fā)光管熄。此時第三交連電容充電電阻（圖2中的9.134）向第三交連電容充電，當超過第一顯示器負相端的門坎電壓，第一顯示器的輸出端為低位，所帶的第一顯示支路的發(fā)光管又亮。因此以后發(fā)光管亮的規(guī)律再次是第一顯示支路的發(fā)光管熄，第二顯示支路亮，第三顯示支路熄；再后是第一顯示支路熄，第二顯示支路熄，第三顯示支路亮，再次是第一顯示支路亮，第二顯示支路熄，第三顯示支路熄，按此規(guī)律形成循環(huán)成流水狀。當?shù)谌@示器輸出低位時，語音級中的發(fā)聲器因存在對地通道，所以將發(fā)出一次聲音。

實施后有以下突出的優(yōu)點：

一、電學是物理學中重要的內(nèi)容。而對初學者來說，對直流電的理解相對容易，而對具有頻率的電流對電路元件的影響會感到抽象。而本儀的演示會使初學者的抽象概念變得實際。因此對深入學習電學有著積極意義。具體情況有以下幾點：

（1）、因為本演示儀中的演示電源可以在運放集成開關(guān)的切換下，可以變?yōu)槊}沖電源，也可以變?yōu)橹绷麟?，所以可以清楚地演示出抗性元件（如電容，或電感）在頻率為零的情況（即是直流電），與具有頻率的脈沖電流情況下的物理現(xiàn)象是完全不同的。

如電容（電容其構(gòu)造是兩塊不相連的導電物質(zhì)平面），這種特殊的構(gòu)造在在直流狀態(tài)下，只可能瞬態(tài)地一次性充電，最后成為斷路狀態(tài)（表現(xiàn)為顯示部分發(fā)光管只瞬態(tài)的亮一下，然后全熄）。但在在頻率的脈沖電源下，卻發(fā)生了戲劇性的變化，因這種不相連的兩面能順利地通過電流。

如電感在直流狀態(tài)下，是一個很好的良導體，但是在通過頻率的脈沖電流時，但在在頻率的脈沖電源下，卻發(fā)生了戲劇性的變化，因這種首尾相連的導線卻對電流存在阻力，其物理特性完全變化。

（2）、本發(fā)明演示電源的頻率可調(diào)?？梢匝菔境鲱l率越高，對頻率元件的影響效果越大，如同一參數(shù)電容，頻率越高，導通性越好。

又如同一參數(shù)電感線圈，頻率越高，其呈現(xiàn)的阻力越大。

（3）、可以演示出，在同樣的電壓下，電容越大，容抗越小，即是對電流的阻力越小，而電感越大，則感抗越大，即是對電流的阻力越大。

（4）、可以演示出電容中呈現(xiàn)容抗的大小的主要內(nèi)部原因，如電容的內(nèi)部不相連的兩導電面越大，則容抗越小，兩導電面之間的絕緣層越厚，則容抗越小。

（5）、可以演示出電感中呈現(xiàn)感抗的大小的主要內(nèi)部原因，如線圈的直徑越大，則感抗越大，反之感抗越少。

（6）、感抗還與線圈中的是否有導磁材料有關(guān)，并與導磁材料的性質(zhì)有關(guān)。

一、性能優(yōu)異主現(xiàn)體現(xiàn)在以下幾點：

1、光顯示效果好。一是光顯示呈現(xiàn)流水狀態(tài)，如果信號越強，組合的小單元亮得越多，而且向遠處延伸，根據(jù)發(fā)光管亮的多少與“路程”遠近，很容易理解演示的元件參數(shù)在電路中所產(chǎn)生的效果。二是這種“水”的流動（發(fā)光管的光亮）每次是從起點開始的，而且在向遠處延伸時，強化了形象。三是光顯示動感性強有一定趣味。

2、演示過程光與聲音顯示并存，增加了趣味效果，觀看者寓教于樂。

3、運放集成開關(guān)為按鈕電子開關(guān)，有以下突出的好處，一是按鈕是一種輕觸鈕，手感好。二是每按一次狀態(tài)變換一次，操作方便。三是可以清楚地顯示出是當前控制的狀態(tài)，如是直流狀態(tài)，這時指示燈為一種顏色，如是脈沖的頻率電源，又會成另一處顏色，在清楚明瞭整體高檔。四是按鈕開關(guān)在生產(chǎn)時不產(chǎn)生飛線，可以直接和印刷板產(chǎn)生聯(lián)系，因而可進一步保證產(chǎn)品質(zhì)量。五是按鈕屬一種普通元件，易于購買。這些優(yōu)點，也便于試驗電路購買。

4 、顯示的量化效果好，靜態(tài)平衡單元輸入為零時，其輸出信號為零，不存在初始電位，進一步保證了顯示的準確。

5、演示的元件范圍寬，一是因為本儀的比例放大部分因而具有較高的靈敏度，特別是對當容抗較大時，亦能清楚顯示，二是該放大電路在脈沖狀態(tài)與直流狀態(tài)均有放大作用。

6、可以演示出電阻、絕緣體、電流的概念，演示出當電壓一定時，電流與電阻之間的關(guān)系。電阻越大，電流越小的視覺效果。以讓年紀更小的學生建立更基礎(chǔ)的電學知識。

二、因為上述幾點原因，同時所本儀屬于初級的普及型的演示儀。適應(yīng)面廣，小學與中學及科普教育都很適合，社會的需要有很大空間。

三、本儀易生產(chǎn)，一是因為元件品種少，這對采購，插件，都十分容易，二是調(diào)試簡單，而且不需要貴重儀器檢測，三是成本低。

四、本發(fā)明線路精簡，各單元聯(lián)系科學，可操作性很強，因此可以啟發(fā)學生自行試驗安裝，通過自制，可以進一步提高學生動手能力與實踐水平，這對提高學生素質(zhì)有著積極的意義。而本發(fā)明在自制上有以下特點，因而十分適合自制。

一是各部分獨立，可以部分為單位通電檢驗。而且每個部分充滿著一定趣味性，如顯示部分，成功后發(fā)光管光亮為流水循環(huán)狀，而且呈現(xiàn)一定規(guī)律的音樂聲。

二是各部分間之間連接科學，基本上不會產(chǎn)生故障，所以在完成部分調(diào)試后，就可完成整體工作。

三是有源件全為運放的幾種基本線路，，因此便于初學者對運放的認識，由于有源件品種單一，重點突出，有利于初學者學習，避免繁而厭學，或貪多不爛的情況。而且這幾種基本線路，經(jīng)過的組合，可以演變成系列的邏輯關(guān)系，與多種功能，因而可以引導初學者積極思維，拓展想象空間，有利于提高素質(zhì)教育。

附圖說明

圖1是一種電學科普儀中除顯示系統(tǒng)外的各部分電子電路圖。

圖中：1.0、開關(guān)按鈕；1.1、開關(guān)一單元；1.2、開關(guān)二單元；1.3、開關(guān)三單元；1.4、第一引導電容；1.5、第一引導二極管；1.6、第一引導電阻；1.7、第二引導電容；1.8、第二引導二極管；1.9、第二引導電阻；1.11、正相端上偏電阻；1.12、正相端下偏電阻；1.15、交叉電阻一；1.25、交叉電阻二；1.19、開關(guān)一單元狀態(tài)指示；1.29、開關(guān)二單元狀態(tài)指示；1.28、隔離二極管；1.31、開關(guān)三單元的接地電阻；2.1、前級運放器；2.2、后級運放器；2.3、運放上偏電阻；2.4、運放下偏電阻；2.5、積分電阻；2.7、積分電容；3.1、測試孔一；3.2、測試孔二；5.1、比例放大器；5.2、輸入電阻；5.3、比例上偏電阻；5.5、比例下偏電阻；6.1、平衡可調(diào)電阻；6.2、平衡接地電阻；6.3、平衡穩(wěn)壓管；6.5、平衡射隨器；6.6、靜態(tài)平衡部分的輸出。

圖2是顯示系統(tǒng)電子電路圖。

圖中：6.5、平衡射隨器；6.6、靜態(tài)平衡部分的輸出；7.11、一級分壓穩(wěn)壓管；7.12、一級分壓電阻；7.111、第一接地電阻；7.21、二級分壓穩(wěn)壓管；7.22、二級分壓電阻；7.211、第二接地電阻；7.N1、最后一級分壓穩(wěn)壓管；7.N2、最后一級分壓電阻；7.N11、最后一級接地電阻；7.X1、最后一個分壓穩(wěn)壓管；7.X2、最后一個分壓電阻；8.01、比較電路；8.1、一級激勵運放器；8.2、二級激勵運放器；8.N，最后一級激勵運放器；9.11、第一顯示級中第一顯示器；9.12、第一顯示級中第二顯示器；9.13、第一顯示級中第三顯示器；9.101、顯示器同相上偏電阻；9.102、顯示器同相下偏電阻；9.111、第一組顯示支路；9.112、第一交連電容；9.113、第一鉗位二極管；9.114、第一交連電容充電電阻；9.115、第一顯示器負端上偏電阻；9.116、第一顯示器負端下偏電阻；9.121、第二級顯示支路；9.122、第二交連電容；9.1123、第二鉗位二極管；9.124、第二交連電容充電電阻；9.125、第二顯示器負端上偏電阻；9.126、第二顯示器負端下偏電阻；9.131、第三級顯示支路；9.132、第三交連電容；9.133、第三鉗位二極管；9.134、第三交連電容充電電阻；9.135、第三顯示器負端上偏電阻；9.136、第三顯示器負端下偏電阻；10.1、第一發(fā)聲器。

具體實施方式

圖1、圖2共同描述了具體實施的一種方式。

一、選元件：按圖選定有源件，顯示器、前置激勵運放器、平衡射隨器、比例放大器、前級運放器、后級運放器、開關(guān)一單元、開關(guān)二單元、開關(guān)三單元均采用運算放大器LM324。比較電路由兩個電阻串聯(lián)在電源與地線之間，其中間串聯(lián)點接前置激勵器的負相端。

二、焊接：除顯示系統(tǒng)外的各部分電子電路如圖1所示焊接，顯示系統(tǒng)如圖2焊接。

三、調(diào)試。

1、檢查與調(diào)試演示電源。

斷掉隔離二極管，用示波器的熱端接前級運放器的輸出端，示波器顯示有振蕩圖形，調(diào)整積分電阻與積分電容可調(diào)整其振蕩頻率，其規(guī)律是阻容值越大，振蕩越慢，阻容值越小，振蕩越快。而運放上偏電阻與運放下偏電阻的值則是調(diào)整前級運放器的啟動靈敏度。

2、檢查與調(diào)試運放集成開關(guān)開關(guān)。

用萬用表檢查。

A、用萬用表的正極連接開關(guān)第三單元的輸出端，此時應(yīng)為高位，否則是該單元輸入端對地電阻脫焊，或?qū)粹o開關(guān)連錯，使第三單元的輸入端成了高位。當按下按鈕開關(guān)時，該門輸出端應(yīng)為低位。

B、用萬用表的正極連接開關(guān)中第一單元的輸出端，同時按下按鈕開關(guān)，之后松手，此時第一單元的輸出端應(yīng)為發(fā)生一次變化，如由低位變?yōu)楦?，或由高位變?yōu)榈?。如果不正確，則是第一引導電容與第一引導電阻回路的連線錯誤。

C、用萬用表的正極連接開關(guān)中第二單元的輸出端，同時按下按鈕開關(guān)，之后松手，此時第二單元的輸出端應(yīng)為發(fā)生一次變化，如由低位變?yōu)楦?，或由高位變?yōu)榈?。如果不正確，則是第二引導電容與第二引導電阻回路的連線錯誤。

D、每按一次按鈕所連接的兩狀態(tài)指示的發(fā)光管會變化一次，始終為 一管亮一管熄，如不正確，則是發(fā)光管極性焊反。

3、檢查與調(diào)試比例放大單元。

用示波器檢查，用示波器的熱端先連接該級的輸入端，繼而再連接輸出端，冷端接地。

A、用一個電容或電感連接在測試孔上，測試輸入端時示波器有信號顯示，測輸出端時，示波器的信號明顯加強。

用一個電阻接在測試孔上，有測試輸出端時，示波器的信號明顯加強。

B、調(diào)比例上偏電阻，示波器的信號會明顯發(fā)生變化。

4、檢查與調(diào)試靜態(tài)平衡單元。

用示波器或萬用表檢查，用示波器的熱端先連接本級的輸出端。

選擇恰當?shù)钠胶夥€(wěn)壓管。調(diào)整平衡電路，此時輸出信號將由有信號變?yōu)榱阈盘?，如果信號不能消除，?yīng)將平衡可調(diào)電阻的阻值增加，平衡接地電阻值減少。

5、檢查與調(diào)試前置單元。

用示波器或萬用表檢查，用萬用表的熱端依次接該電路各分壓輸出點的電壓。

A、在測試孔上，連接一個測試電容，調(diào)節(jié)脈沖振蕩源的頻率，加大頻率，此時各分壓輸出點高位點會增多。

B、在測試孔上，連接一個測試電感，調(diào)節(jié)演示電源的頻率，加大頻率，此時各分壓輸出點高位點會增多。

C、當分壓輸出點為高位時，所連接的前置激勵運放器的輸出端為高位，反之為低位。

6、檢查與調(diào)試顯示系統(tǒng)，以其中的一個顯示級為例。

A、所有的顯示支路的發(fā)光管亮的穩(wěn)定規(guī)律是：先是第一顯示支路的發(fā)光管亮，第二與第三顯示支路的發(fā)光管熄?，F(xiàn)是第二顯示支路的發(fā)光管亮，第一與第三顯示支路的發(fā)光管熄。再是第三顯示支路的發(fā)光管亮，第一與第二顯示支路的發(fā)光管熄。以后按此規(guī)律循環(huán)。后又重復(fù)上述規(guī)律。如果不正確則，線路連錯。

B、如果某一顯示支路的發(fā)光管不亮，則應(yīng)檢查顯示支路所接的顯示器的輸出端是否為低位，如果為高位，則是發(fā)光管極性焊反，或連線錯誤。

C、如果某一顯示支路的發(fā)光管不亮，而顯示支路所接顯示器的輸出端不為低位，則是該單元與前級之間的充電回路失效，該充電回路是，該級交連電容充電電阻，兩級的交連電容，本級反相端的對地電阻。

D、調(diào)整充電回路組成的時間常數(shù)，使顯示支路的發(fā)光管流水亮的時間符合要求。

7、檢查測試電源為直流狀態(tài)下的工作情況。

用按鈕開關(guān)將脈沖電源切換在直流狀態(tài)下，此時示波器的顯示為直流，而且最后輸出的電壓幅值與在第一級電容測試點電壓幅值近似，略小一些。

在測試孔上，連接不同阻值的電阻，如果阻值越小，則啟動的顯示級越多。

在測試孔上，連接一個測試電容，這時顯示系統(tǒng)中顯示級會出現(xiàn)瞬態(tài)的啟動。

在測試孔上，連接一個容量較大的電容，這時顯示系統(tǒng)會出現(xiàn)瞬態(tài)的啟動，而且所亮的發(fā)光管會增多。

在測試孔上，連接一個測試電感，這時顯示系統(tǒng)會出現(xiàn)所有顯示級中發(fā)光管亮的情況。