专利名称：变频正弦交流特性演示器的制作方法
技术领域：
本发明涉及ー种教具，具体地说是ー种用于演示正弦波变频交流电路特性的演示器。
背景技术：
在课堂上要让学生们快速牢记ー些知识点，教师会选择各种教具辅助教学。如在上电学基础时，就会用到交流电路特性演示器。但是该产品在90年代在配备目录中列入以后，将近20年过去了，这个产品一直非常混乱。该类产品基本有两类ー类是表现交流电路中电感电容相位差的，另ー类是表现交流电路中的感抗和容抗的。现有技术中的交流电路特性演示器是通过直流电经过换向器制作出方波模拟交流电，这样带来的缺点是和实际交流电的区别比较大。实际上和实际使用的交流电有很大的区别，不利于学生学习电学知 识。而如果要做变频正弦交流电，则比较困难，变频电源是用来测量仪器设备对电源频率的适应性的，就是超低频可调正弦波电源。可调超低频交流电源的电路的组成其实只是ー个可调正弦波信号源，加一个功率放大器。显然，功率放大器需要定压输出。但是定压输出的功率放大器并非尖端技术，而是在普遍应用的，例如定压音频功率放大器中，只需加深度负反馈。如果不计成本，不是做不出来。但是需要考虑的是有没有这个必要了。毕竟作为普及使用的教具，成本也是需要考虑的ー个问题。对此我们深入研究，研制ー种能兼顾制作成本和教学效果的教具，填补这项空白技木。
发明内容
本发明专利的目的就是弥补现有技术的不足，提供了ー种用于演示正弦波变频交流电路特性的演示器，能直观表现出交流电的特性，提高演示精度，同时也尽可能降低生产成本。为达到所述目的，本发明变频正弦交流特性演示器，电源部分、指示部分和演示部分，所述电源部分由依次连接的三角波发生器、正弦波形成电路、正弦功率放大电路组成，指示部分包括二位数字频率表，频率测试信号来自比较放大器的方波信号，还包括外接端ロ，所述外接端ロ连接示波器，所述演示部分包括并联的负载电路电阻、电感、电容支路，每个支路中设有可拆卸式电子元件井分别串联I只小灯泡。优选的，所述三角波发生器全部是由分列器件组成，三极管VI、三极管V2组成比较放大器，产生方波信号，三极管V4、三极管V5、三极管V6、三极管V7、三极管V8、电容C、限流电阻R、频率调节电位器RPl组成积分电路，产生三角波信号，比较器与积分器首尾相连，形成闭环电路，构成稳定的三角波振荡器，在形成反馈电路中，为了对积分电容C的充放电影响尽可能小，在电路中采用场效应管V9作为源极跟随器，以提高充放电电容C端的输入阻抗，减小三角波输出端的阻抗，三角波输出端和三极管V2组成的比较放大电路的输入端基极相连接。优选的，所述正弦波形成电路包括将源极跟随器输出的三角波信号，通过调节RP2电位器，使三角波的正峰值和三角波的负峰值在ニ极管截止与导通的拐点区域，送至运算放大器作进ー步的修边整形后，输出完美的正弦波形送至功率放大器的输入端。优选的，所述正弦功率放大电路采用美国德州仪器公司生产的TDA3001D1，20W单声道音频功率放大器，由运放输出的正弦波信号送入功放集成电路2脚同相输入端，功放的BTL输出10Vp_p电压，供负载电路。优选的，所述正弦波信号发生器，频率范围IHz 60Hz。这个频率范围已经足够演示交流电的特征。优选的，所述二位数字频率表显示，分辨率为1Hz。这样能敏感显示交流电的频率变化。优选的，所述电源部分、指示部分和演示部分均安装在底座上，所述底座内设有抽屉，负载电路中的可拆卸式电子元件的替换件放在抽屉内。这样的结构便于使用同一个设 备演示不同类型的试验。本发明通过改变变频电源的频率，可观察R、L、C支路中串联的灯泡亮、暗变化情况，同时能从示波器中检测到完美的正弦波形。能更直观地给学生演示、解释正弦波交流电的特点。
图I为本发明变频正弦交流特性演示器的结构示意图。图2为本发明变频正弦交流特性演示器的三角波发生器和正弦波形成电路的电路图。图3为本发明变频正弦交流特性演示器的正弦功率放大电路图。其中图2连接功率放大电路的电路和图3左侧连接电路连接在一起的。
具体实施例方式如图I、图2以及图3所示，变频正弦交流特性演示器，电源部分I、指示部分2和演示部分3，其特征在于所述电源部分I由依次连接的三角波发生器、正弦波形成电路、正弦功率放大电路组成，指示部分2包括二位数字频率表，频率测试信号来自比较放大器的方波信号，还包括外接端ロ 4，所述外接端ロ 4连接示波器，所述演示部分3包括并联的负载电路R、L、C支路，每个支路分别串联I只小灯泡5。所述三角波发生器全部是由分列器件组成，三极管VI、三极管V2组成比较放大器，产生方波信号，三极管V4、三极管V5、三极管V6、三极管V7、三极管V8、电容C、限流电阻R、频率调节电位器RPl组成积分电路，产生三角波信号，比较器与积分器首尾相连，形成闭环电路，构成稳定的三角波振荡器，在形成反馈电路中，在积分电路中，R为恒流源电阻，当改变RPl丨一Va丨一VRt — IRt — F(Hz)丨，反之Rpl丨一Va丨一VR丨一IIU — F(Hz)丨，由于积分电容采用恒流充放电，并且在形成闭环电路时，对电容的充放电无影响，这样三角波的线性更好，三角波非线性的失真Y Δ <1%,三角波更对称，为形成失真系数小，形好的正弦波打下良好的基础，特别是频率范围的变化非常线性，绝对不会象运放电路组成的三角波发生器，在频率的低端，改变频率的阻值疏，在频率的高端，改变频率阻值密，频率调节的线性不好。由于电路采取了其它的ー些补偿措施，当改变三角波频率时，输出幅度保持不变，具有很好的幅频特性。图中三极管VlO射极跟随器输出的方波信号送至二位数字频率表的输入端，作为信号频率的检测和显示。为了对积分电容C的充放电影响尽可能小，在电路中采用场效应管V9作为源极跟随器，以提高充放电电容C端的输入阻抗，减小三角波输出端的阻抗，三角波输出端和三极管V2组成的比较放大电路的输入端基极相连接。所述正弦波形成电路包括将源极跟随器输出的三角波信号，通过调节RP2电位器，使三角波的正峰值和三角波的负峰值在ニ极管截止与导通的拐点区域，送至运算放大器作进ー步的修边整形后，输出完美的正弦波形送至功率放大器的输入端。所述正弦功率放大电路采用美国德州仪器公司生产的TDA3001D1，20W单声道音频功率放大器9，由运放输出的正弦波信号送入功放集成电路2脚同相输入端，功放的BTL输出10Vp_p电压，供负载电路。所述正弦波信号发生器，频率范围IHz 60Hz。所述二位数字频率表显示，分辨率为IHz。所述电源部分I、指示部分2和演示部分3均安装在底座7上，所述底座7内设有抽屉8，负载电路中的可拆卸式电子元件6的替换件放在抽屉8内。可见，负载电路R、L、C支路，也可以根据实际需要通过改变插接的可拆卸式电子元件6进行相互转变，这样应用 范围更大。通过所述的结构，本发明通过简单电路获得一个标准的可调的正弦交流电源，用于演示。成本低，安全性能好，演示时使用本发明可使连续可调变频正弦交流电源达到下列效果。I、使用默认的可拆卸式电子元件6，即电阻、电容和电感，随着电源频率逐渐升高，串联在电感器电路中的灯泡5亮度逐渐降低，串联在电容器电路中的灯泡5亮度逐渐增亮，串联在电阻器电路中灯泡5亮度不变。2、可拆卸式电子元件6使用容量不同的ニ个电容器和一个电阻器，随着电源频率逐渐升高，串联在大容量电容器电路中的灯泡5首先被点亮，串联在小容量电容器电路中的灯泡5在频率继续升高时才被点亮，串联在电阻电路中的灯泡5亮度始终不变；3、可拆卸式电子元件6选用电感量不同的ニ个电感器和一个电阻器，随着电源频率逐渐升高，串联在大电感电路中的灯泡5首先亮度降低至熄灭，串联在小电感电路中的灯泡5在频率继续升高时亮度才降低至熄灭，串联在电阻电路中的灯泡5亮度始终不变；4、在上述过程中，频率表能显示电源频率变化；外接端ロ 4所连接的示波器显示的频率逐渐变化，但是波形始终为正弦波，并且峰峰值幅度不变。通过这样的效果能更直观，更准确地向学生解释正弦波交流电的特性，提高了教学的质量。
权利要求
1.变频正弦交流特性演示器，电源部分(I)、指示部分(2)和演示部分(3)，其特征在于所述电源部分(I)由依次连接的三角波发生器、正弦波形成电路、正弦功率放大电路组成，指示部分(2)包括二位数字频率表，频率测试信号来自比较放大器的方波信号，还包括外接端ロ(4)，所述外接端ロ(4)连接示波器，所述演示部分(3)包括并联的负载电路电阻、电感、电容支路，每个支路中设有可拆卸式电子元件(6)井分别串联I只小灯泡(5)。
2.如权利要求I所述的变频正弦交流特性演示器，其特征在于所述三角波发生器全部是由分列器件组成，三极管VI、三极管V2组成比较放大器，产生方波信号，三极管V4、三极管V5、三极管V6、三极管V7、三极管V8、电容C、限流电阻R、频率调节电位器RPl组成积分电路，产生三角波信号，比较器与积分器首尾相连，形成闭环电路，构成稳定的三角波振荡器，在形成反馈电路中，为了对积分电容C的充放电影响尽可能小，在电路中采用场效应管V9作为源极跟随器，以提高充放电电容C端的输入阻抗，减小三角波输出端的阻抗，三角波输出端和三极管V2组成的比较放大电路的输入端基极相连接。
3.如权利要求2所述的变频正弦交流特性演示器，其特征在于所述正弦波形成电路包括将源极跟随器输出的三角波信号，通过调节RP2电位器，使三角波的正峰值和三角波的负峰值在ニ极管截止与导通的拐点区域，送至运算放大器作进ー步的修边整形后，输出完美的正弦波形送至功率放大器的输入端。
4.如权利要求3所述的变频正弦交流特性演示器，其特征在于所述正弦功率放大电路采用美国德州仪器公司生产的TDA3001D1，20W单声道音频功率放大器(9)，由运放输出的正弦波信号送入功放集成电路2脚同相输入端,功放的BTL输出10Vp_p电压,供负载电路。
5.如权利要求I所述的变频正弦交流特性演示器，其特征在于所述正弦波信号发生 器,频率范围IHz 60Hz。
6.如权利要求I所述的变频正弦交流特性演示器，其特征在于所述二位数字频率表显示，分辨率为IHz。
7.如权利要求I所述的变频正弦交流特性演示器，其特征在于所述电源部分(I)、指示部分(2)和演示部分(3)均安装在底座(7)上，所述底座(7)内设有抽屉(8)，负载电路中的可拆卸式电子元件(6)的替换件放在抽屉(8)内。
全文摘要
本发明专利的目的就是弥补现有技术的不足，提供了一种用于演示正弦波变频交流电路特性的演示器，能直观表现出交流电的特性，提高演示精度。为达到所述目的，本发明变频正弦交流特性演示器，电源部分、指示部分和演示部分，所述电源部分由依次连接的三角波发生器、正弦波形成电路、正弦功率放大电路组成,所述演示部分包括并联的负载电路电阻、电感、电容支路，每个支路中设有可拆卸式电子元件并分别串联1只小灯泡。本发明通过改变变频电源的频率，可观察电阻、电感、电容支路中串联的灯泡亮、暗变化情况，同时能从示波器中检测到完美的正弦波形。能更直观地给学生演示、解释正弦波交流电的特点。
文档编号G09B23/18GK102842257SQ201210275850
公开日2012年12月26日 申请日期2012年8月3日 优先权日2012年8月3日
发明者唐丰, 唐智川 申请人:湖州文思必得科教仪器有限公司