基于声卡的数据采集系统在电磁振荡实验中的应用

　　一、项目背景
　　
　　在信息化社会的背景下，传统的实验模式已经不能满足学生的学习需要了。现代化测量技术引入中学物理实验教学，不仅可以改善实验效果，也提升了实验的科学技术含量。因此传感器和数字处理系统被引入到高中物理教学之中，它为中学物理教学的改革增加了一种新的手段，为培养学生的物理创造性思维能力起到了重要的作用。具体讲，它可以使抽象的问题形象化，从而使学生完整、清晰、形象地感知物理过程。但由于数据采集器价格昂贵，许多学校都没有购买配置，即使拥有，数量也很少，因此使数据采集器真正应用于物理课堂教学和学生实验，受到了极大的限制。
　　无论在过去还是当今的新课标中，都同样提倡教师合理地开发利用身边的各种器材和可用资源改善实验条件、课程资源。利用声卡制作数据采集系统是利用了声卡的数模转换功能，将物理信号转变为数字信号输出。声卡是一种音频范围内的数据采集卡，通常的声卡都是16位，采样率为44.1kHz。声卡是计算机的一个普通外设，已经有成熟的底层支持，因此开发起来成本低，兼容性好。
　　
　　二、项目结构
　　
　　1　基于声卡的数据采集器
　　双声道声卡有左右声道之分，因此可以实现两路信号的同时采集。声卡的输入电压是1.5V，为了避免损坏声卡，需要将声卡的输入电压限制在声卡的承受范围之内，因此要加入信号调整电路。以提供合适的电压。去除声卡Line in输入的隔直电容，制作信号调整电路，通过USB声卡为信号调整电路提供电源，信号调整电路输出接至改造后的声卡Line in输入。各信道输入连接线采用屏蔽线消除杂波，制作完成基于声卡的数据采集器。
　　
　　2　数据采集处理软件——数字存储示波器软件
　　在VC6.0平台上编写数字存储示波器软件(如图1)，该软件可分别设置双通道信号的触发类型和单位幅度，可观察某单一通道或双通道振荡波形及其李沙育图形，通过软件的mark功能可测量振荡周期实现对USB声卡的调整控制，数据的采集、显示、分析、存储等功能。
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　三、应用实例
　　
　　按照图2所示，搭建演示板，其中L为8W电感镇流器，从镇流器中点抽头。将电话机变压器的三个绕组进行串联，接出引线，其中1只变压器铁芯抽出待用，作为外接用电感器。
　　将470n电阻与3.5单声道音频插头按图3进行连接。
　　按照图4制作振荡电路外接电路板。
　　1　探究电磁振荡实验中电感、电容、电阻对振荡周期的影响
　　把自制实验电路板、数据采集器(改造后的声卡)以及计算机用相应的导线和USB数据线连接起来。启动自编的虚拟数字示波器软件，设置通道。通道1设定为“电流”，幅度可选10mA，时间根据所选电感电容确定。通道2设定为“电压”，幅度可选0.5V。演示、观察阻尼振荡的电流和电压变化规律(LC振荡电路电流变化规律)。K1接至a点，给电容充电，选中捕获功能，K1接至b点，形成LC振荡电路，捕获振荡波形。可以直观地显示出振荡电路中电压和电流两路信号的振荡波形及其相位关系。利用mark功能可以测量出振荡周期。
　　2　探究电感、电容、电阻对振荡周期的影响
　　第一组实验：电容不变，改变电感
　　通过K3可选择内部电感或外接电感。当选择外接电感时，可由J4接入外接电感。2个改造好的电话机变压器可作为外接电感使用，改变电话机变压器的抽头位置或者通过改变铁芯的插入与否、铁芯的气隙大小均可改变其电感量大小(本实验主要侧重铁芯变化对LC振荡电路的影响)。通道1的时间刻度设为2.5 ms，电容C=0.1μF。
　　(1)空心线圈(可利用软件的mark功能，测量振荡的周期，大约0.373ms)：
　　(2)插入“E”字型铁芯；
　　(3)加入“一”字型铁芯，构成“日”字型。还可通过改变铁芯气隙，从而改变电感的大小。
　　本组实验是该项目的重点，它在通常情况下即便使用数字实验室也是观察不到实验现象的，而且本组实验也开阔了学生思维，培养了学生的发散思维和创新精神。
　　第二组实验：电感不变，改变电容
　　通过K2可选择内部电容或外接电容。当选择内部电容时，通过S1可改变电容值，范围为0.056UP～47pP共11档；选择外接电容时，由J3接入外接电容。
　　第三组实验：电容、电感不变，改变电阻
　　选取适当的电容、电感，通过J1加上470n可调电阻，形成RLC振荡电路。时间定为1s直接测量出下列波形，然后逐一放大观看，可以直观比较：
　　(1)电阻为0时的阻尼振荡，波形振荡多个周期：
　　(2)电阻变大，波形衰减变快；
　　(3)电阻调到最大几乎无法产生振荡。
　　教学中可根据需要采取不同的电容电感组合方式，从而获得理想的实验效果。通过软件的测量功能可以定量测量振荡周期与电容、电感的关系。
　　第四组实验：演示无阻尼振荡
　　通过J2接人振荡电路外接电路板，时间选为0.1s，接通电路板电源后看到起振过程，和信号逐渐稳定的情况，当切断电源时，可观察到阻尼振荡的振荡波形。使用李沙育图形x-y模式观测效果更好。
　　
　　四、创新点
　　
　　1　传统的电磁振荡实验是用指针式电流表观察LC电路产生的振荡电流，摆动幅度小、次数少，不易观察：用普通示波器可以看到真实的现象，但是不能保存分析。本项目解决了上述问题，用改进的USB声卡实时采集LC振荡电路的电压、电流信号，可由曲线测量出振荡的周期和频率，观察电压、电流的相位关系；还可通过改变电路元件的参数，观察电感和电容对LC振荡电路的影响。在演示实验过程中观察到的现象直观，一改原来本章节只能使用理论讲解，习题巩固的缺憾，学生可以直观地看到实验现象，消化了难点，收到事半功倍的效果
　　2　降低了对实验元件的要求。传统的电磁振荡实验需要高电压、大电容、大电感才有可能观察到实验现象。通过本系统可以得到很明显的实验现象，降低了对实验元件的要求。
　　3　该项目成本低，安装方便。将百元左右的声卡进行改造，使其能够采集低频率乃至直流信号，通过自编软件实时采集实验数据，从而实现了低成本高精度数据采集系统的功能。大大降低了实验成本。而且该项目既适用于教师演示实验又适合学生开展自主探究实验。
　　4　实现了定量研究。此系统不仅适用于定性研究，也适用于定量研究。把真实采集到的数据，以图线的形式呈现在学生面前，能使抽象的物理过程直观化和图形化，通过软件的mark功能，方便准确地测出周期的数值。
　　5　该实验项目可扩展性好，只要改变前端实验板即可应用于电容充放电、电磁感应等其他电学实验，而且稍作改进还可用于单摆周期、速度、加速度等其他实验的测定。
　　总之。该实验项目突破了传统实验手段的限制。大幅度地改进传统手段做不出、做不好的实验，变不可见到可见，由抓不住到抓得住，由不好做的变为好做