集成运算放大器正弦波交流信号验证装置及验证方法与流程

本发明涉及一种集成运算放大器正弦波交流信号验证装置及验证方法，利用集成运算放大器产生频率变化的正弦波交流信号验证二极管的单向导电性，二极管采用发光二极管，可以直观观察二极管在直流信号和交流信号作用下的单向导电性；用发光二极管组成半波整流、桥式全波整流直观验证二极管在电气领域应用的整流功能；应用交流信号、整流得到的直流信号和应用发光二极管的单向导电性直观认知直流信号和交流信号的特征。

背景技术：
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中学生物理课程讲授内容中有关半导体器件二极管和交流电路部分较难于理解。半导体物理中PN节的性质是半导体学科的基础，最简单的半导体器件是二极管，而中学生在理解二极管的特性上存在疑惑，难于理解二极管的单向导电性，在讲课过程中也只是用一简单的直流电、限流电阻和二极管组成电路验证，此电路不易观察和理解；或者应用万用表的电阻档测量二极管的电阻，二极管截止状态，万用表显示为无穷大也不易于理解二极管的单向导电性。

在学习交流电路内容前，物理课程电路部分内容的电源是直流电，学生容易理解，因为理想直流电电压和电流的方向是不随时间变化的，且电压与回路电流是同相位的。而交流电电路中有电容器件和电感器件时，电压和回路中的电流是向量关系，中学生不容易理解和掌握着部分的理论内容。

物理课程的学习过程是与实验紧密相关的，为了让中学生更好理解二极管的特征及其应用和交流电路的性质以及交流电作用于纯电阻、电阻电容和电阻电感负载时的性质，设计了一种实验装置以帮助中学生理解和掌握有关半导体器件二极管和交流电路部分的理论内容。

技术实现要素：
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本发明的目的是提供一种集成运算放大器正弦波交流信号验证装置及验证方法。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种集成运算放大器正弦波交流信号验证装置，其组成包括：变频正弦波发生器，所述的变频正弦波发生器分别通过跳线选择开关与正反向单向导电性电路、正反向半波整流电路、桥式安全波整流电路、纯电阻负载电路、电阻电容负载电路、电阻电感负载电路连接。

所述的集成运算放大器正弦波交流信号验证装置，所述的变频正弦波发生器由运算放大器、阻容串并联网络和负反馈电路组成，其中电阻由固定阻值的电阻和可变电阻组成，所述的可变电阻为同轴可变电阻。

所述的集成运算放大器正弦波交流信号验证装置，所述的阻容串并联网络中电容分四个档位，分别为10kHz、50Hz、15Hz、0.5Hz。

所述的集成运算放大器正弦波交流信号验证装置，所述的正反向单向导电性电路具有二极管单向导电性的正半波电路和二极管单向导电性的负半波电路，所述的二极管单向导电性的正半波电路采用绿色发光二极管，所述的二极管单向导电性的负半波电路采用红色发光二极管。

所述的集成运算放大器正弦波交流信号验证装置，所述的正反向半波整流电路具有正半波整流电路和负半波整流电路，所述的正半波整流电路采用绿色发光二极管，所述的负半波整流电路采用红色发光二极管。

所述的集成运算放大器正弦波交流信号验证装置的验证方法，该方法包括如下步骤：

利用集成运算放大器产生频率变化的正弦波交流信号验证二极管的单向导电性，二极管采用发光二极管，可以直观观察二极管在直流信号和交流信号作用下的单向导电性；用发光二极管组成半波整流、桥式全波整流直观验证二极管在电气领域应用的整流功能；应用交流信号和整流得到的直流信号和应用发光二极管的单向导电性直观认知直流信号和交流信号的特征；通过纯电阻负载电路、电阻电容负载电路、电阻电感负载电路认知交流电的电压与电流的相位关系、有效值关系，以及在电容值一定、电感值一定时，调节负载电阻得出交流信号电压与电流相位差的变化规律。

本发明的有益效果：

1.本发明利用集成运算放大器产生频率变化的正弦波交流信号验证二极管的单向导电性，二极管采用发光二极管，可以直观观察二极管在直流信号和交流信号作用下的单向导电性；用发光二极管组成半波整流、桥式全波整流直观验证二极管在电气领域应用的整流功能；应用交流信号和整流得到的直流信号和应用发光二极管的单向导电性直观认知直流信号和交流信号的特征；通过纯电阻负载电路、电阻电容负载电路、电阻电感负载电路认知交流电的电压与电流的相位关系、有效值关系，以及在电容值一定、电感值一定时，调节负载电阻得出交流信号电压与电流相位差的变化规律。

本发明成本低，器件采购容易，电路中所施加和产生信号的电压值低，易于中学生的安全操作；该装置易于实现，通过制作该装置，可以锻炼学生的动手能力，可以培养学生的理论分析与实践能力，可以帮助学生理解和掌握二极管特性和交流电路性质的物理课程教学内容。

本发明解决了目前中学生物理课程讲授过程中学生难于理解和掌握交流电路性质的问题，如交流电在纯电阻电路中，回路中电阻压降与电源电压是标量关系，可以直接由各电阻压降的代数和得到；若交流电路中含有电容或电感，则电源电压与电路中器件的压降是矢量和的关系，不能直接进行代数和相加减。

本发明应用半导体器件运算放大器正反馈自激的原理设计一种频率可变且可以输出较低的正弦波交流信号如0.5Hz，施加在发光二极管上，可以直观观察二极管的单向导电性，应用2个二极管可以观察在小于等于0.5Hz交流信号作用下，2个二极管交替发光。

本发明设计的正负半周整流电路和桥式全波整流电路通过电容负载放电可以进一步观察二极管的单向导电性；验证二极管在整流上的应用；通过示波器可以观测整流电路在带负载时电容两端电压在放电和充电过程时的动态变化。在整流电路中，半波整流均采用发光二极管，正半波用绿色，负半波用红色；当正弦波输出电压幅值信号大于等于10V时全波整流，对应桥臂的二极管采用同一颜色，如正半波用绿色、负半波用红色；当正弦波输出电压幅值信号小于10V，且大于5V时全波整流对应桥臂的二极管采用一个发光二极管、一个普通二极管。

附图说明：

图1是本发明结构示意图。

图2是正弦波发生电路原理图。

图3是二极管单向导电性验证电路图。

图4是二极管半波整流电路图。

图5是二极管桥式全波整流电路图。

图6是交流负载电路图。

具体实施方式：

实施例1：

一种集成运算放大器正弦波交流信号验证装置，其组成包括：变频正弦波发生器1，所述的变频正弦波发生器分别通过跳线选择开关与正反向单向导电性电路2、正反向半波整流电路3、桥式安全波整流电路4、纯电阻负载电路5、电阻电容负载电路6、电阻电感负载电路7连接。

实施例2：

根据实施例1所述的集成运算放大器正弦波交流信号验证装置，所述的变频正弦波发生器由运算放大器、阻容串并联网络和负反馈电路组成，其中电阻由固定阻值的电阻和可变电阻组成，所述的可变电阻为同轴可变电阻。

实施例3：

根据实施例1或2所述的集成运算放大器正弦波交流信号验证装置，所述的阻容串并联网络中电容分四个档位，分别为10kHz、50Hz、15Hz、0.5Hz。

实施例4：

根据实施例1或2或3所述的集成运算放大器正弦波交流信号验证装置，所述的正反向单向导电性电路具有二极管单向导电性的正半波电路和二极管单向导电性的负半波电路，所述的二极管单向导电性的正半波电路采用绿色发光二极管，所述的二极管单向导电性的负半波电路采用红色发光二极管。

实施例5：

根据实施例1或2或3或4所述的集成运算放大器正弦波交流信号验证装置，所述的正反向半波整流电路具有正半波整流电路和负半波整流电路，所述的正半波整流电路采用绿色发光二极管，所述的负半波整流电路采用红色发光二极管。

实施例6：

根据实施例1或2或3或4或5所述的集成运算放大器正弦波交流信号验证装置:正弦波信号发生模块具体原理由图2给出，运算放大器产生自激并发出正弦波的条件是：电路需要正反馈环节具备幅度平衡和相位平衡，在阻容串并联网络中串联部分的电阻和电容与并联部分的电阻和电容在数值上对应相等，频率细调采用同轴可变电阻以在调节信号频率时同时改变阻容串并联网络参数；制作时正反馈环节的典型参数选择：电阻R=100kΩ、电容分4档：10kHz、50Hz、15Hz、0.5Hz。

负反馈环节具备放大倍数>3，以得到不同频率的正弦波信号，其中电容全部并联后得到的装置输出的频率小于0.5Hz，有利于直观观察二极管的单向导电特性。负反馈环节参数选择：反馈电阻，信号输入电阻的可变电阻。为了获得负反馈环节的放大倍数>3，需要满足。为了便于电路起振设置。

实施例7：

上述的集成运算放大器正弦波交流信号验证装置，图3为二极管单向导电性验证电路图，当选择正半波支路D1时，此时可以选择正弦波发生器的频率由高到低设置，观察发光二极管的发光情况，随着频率降低，二极管发光逐渐变为闪烁，且闪烁的频率越来越低，这说明二极管正向导通，反向截止；当选择负半波支路D2时，发光二极管状态与正半波支路相同，用示波器观测，交流信号正半波时二极管截止，负半周二极管导通，值为恒值，即二极管导通压降；同时选择时，正半波支路和负半波支路的二极管交替闪烁。

实施例8：

上述的集成运算放大器正弦波交流信号验证装置，图4为二极管半波整流电路图，为了便于观察二极管整流过程，正弦波发生器频率选择在最低档，频率小于等于0.5Hz，当选择正半波支路D1时，电路接通瞬间，整流二极管发光后即刻变灭，这是由于电容完成充电，二极管两端电压小于导通电压。此时可以选择电容的放电支路，可以观察到发光二极管开始闪烁；当选择负半波支路D2时，整流过程和现象与正半波支路相同。

实施例9：

上述的集成运算放大器正弦波交流信号验证装置，图5为二极管全波整流电路图，为了便于观察二极管整流过程，正弦波发生器频率选择在最低档，频率小于等于0.5Hz。选择全波整流电路中的电容放电支路，当信号在正半波时，正半波整流二极管D1和D2发出绿光，当信号在负半波时，负半波整流二极管D3和D4发出红光，可以观察到发光二极管发出的绿色和红色交替闪烁，分别为二极管正半波整流对电容充电和负半波整流对电容充电过程。选择直流信号验证二极管单向导电性支路，D5和D6两个二极管为反向并联，D6正向导通发出绿色光，D5反向截止，不发光。

实施例10：

上述的集成运算放大器正弦波交流信号验证装置，图6为交流负载电路图，选择纯电阻负载。将正弦波信号的频率选择到50Hz档位，通过短路块选择此支路，用示波器观测负载电阻R1两端电压和信号发生器的输出电压V0，电阻R1两端电压相位与信号源电压相位相同，当可变电阻大Rl1于零时，负载电阻压降幅值与信号源电压幅值不同，调节可变电阻Rl1，负载电阻上压降变化，但相位始终与信号源电压相位相同，负载电阻压降大小反映了电流大小，负载两端电压的相位也为电流相位，证明纯负载交流电路，信号源的交流电压与回路电流相位相同，且电流波形与交流电源电压波形一致，电流大小由回路电阻值决定。

图6为交流负载电路图，选择电阻电容负载。将正弦波信号的频率选择到50Hz档位，通过短路块选择此支路，用示波器观测负载电阻Rl1两端电压和信号发生器的输出电压V0，当容抗远大于回路电阻时，电阻两端电压相位超前于信号源电压相位90度，逐渐增加可变电阻阻值，电阻两端电压相位超前于信号源电压相位的角度逐渐减小，当容抗远小于回路电阻时，电阻两端电压相位将与信号源电压相位相同。电阻两端电压的相位与回路电流相位相同。

图6为交流负载电路图，选择电阻电感负载。为了便于选择电感，将正弦波信号的频率选择到10kHz档位，通过短路块选择此支路，用示波器观测负载电阻Rl1两端电压和信号发生器的输出电压V0，当感抗远大于回路电阻时，电阻两端电压相位滞后于信号源电压相位90度，逐渐增加可变电阻阻值，电阻两端电压相位滞后于信号源电压相位的角度逐渐减小，当感抗远小于回路电阻时，电阻两端电压相位将与信号源电压相位相同。电阻两端电压的相位与回路电流相位相同。

实施例11：

上述的集成运算放大器正弦波交流信号验证装置，目的是为了解决目前中学生物理课程讲授过程中学生难于理解和掌握半导体器件PN节的单向导电性的问题，如二极管具有一个PN节，是半导体中结构最简单的器件，实际教学过程中只是通过给二极管施以直流电看电路中有无电流来判断二极管的正向和反向来说明二极管的单向导电性，没有进行二极管在交流信号作用下的单向导电性，主要是低频交流电源不易得到，如fout=0.5Hz的交流电源；

其中正弦波发生器的输出信号频率由下式确定：

式中R为电阻电容串并联网络中电阻和电容参数值，选择不同的值可以得到预设的信号频率值。