本發(fā)明涉及一種集成運算放大器正弦波交流信號驗證裝置及驗證方法，利用集成運算放大器產(chǎn)生頻率變化的正弦波交流信號驗證二極管的單向?qū)щ娦?，二極管采用發(fā)光二極管，可以直觀觀察二極管在直流信號和交流信號作用下的單向?qū)щ娦?；用發(fā)光二極管組成半波整流、橋式全波整流直觀驗證二極管在電氣領(lǐng)域應用的整流功能；應用交流信號、整流得到的直流信號和應用發(fā)光二極管的單向?qū)щ娦灾庇^認知直流信號和交流信號的特征。

背景技術(shù)：
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中學生物理課程講授內(nèi)容中有關(guān)半導體器件二極管和交流電路部分較難于理解。半導體物理中PN節(jié)的性質(zhì)是半導體學科的基礎(chǔ)，最簡單的半導體器件是二極管，而中學生在理解二極管的特性上存在疑惑，難于理解二極管的單向?qū)щ娦裕谥v課過程中也只是用一簡單的直流電、限流電阻和二極管組成電路驗證，此電路不易觀察和理解；或者應用萬用表的電阻檔測量二極管的電阻，二極管截止狀態(tài)，萬用表顯示為無窮大也不易于理解二極管的單向?qū)щ娦浴?/b>

在學習交流電路內(nèi)容前，物理課程電路部分內(nèi)容的電源是直流電，學生容易理解，因為理想直流電電壓和電流的方向是不隨時間變化的，且電壓與回路電流是同相位的。而交流電電路中有電容器件和電感器件時，電壓和回路中的電流是向量關(guān)系，中學生不容易理解和掌握著部分的理論內(nèi)容。

物理課程的學習過程是與實驗緊密相關(guān)的，為了讓中學生更好理解二極管的特征及其應用和交流電路的性質(zhì)以及交流電作用于純電阻、電阻電容和電阻電感負載時的性質(zhì)，設計了一種實驗裝置以幫助中學生理解和掌握有關(guān)半導體器件二極管和交流電路部分的理論內(nèi)容。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的是提供一種集成運算放大器正弦波交流信號驗證裝置及驗證方法。

上述的目的通過以下的技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種集成運算放大器正弦波交流信號驗證裝置，其組成包括：變頻正弦波發(fā)生器，所述的變頻正弦波發(fā)生器分別通過跳線選擇開關(guān)與正反向單向?qū)щ娦噪娐贰⒄聪虬氩ㄕ麟娐?、橋式安全波整流電路、純電阻負載電路、電阻電容負載電路、電阻電感負載電路連接。

所述的集成運算放大器正弦波交流信號驗證裝置，所述的變頻正弦波發(fā)生器由運算放大器、阻容串并聯(lián)網(wǎng)絡和負反饋電路組成，其中電阻由固定阻值的電阻和可變電阻組成，所述的可變電阻為同軸可變電阻。

所述的集成運算放大器正弦波交流信號驗證裝置，所述的阻容串并聯(lián)網(wǎng)絡中電容分四個檔位，分別為10kHz、50Hz、15Hz、0.5Hz。

所述的集成運算放大器正弦波交流信號驗證裝置，所述的正反向單向?qū)щ娦噪娐肪哂卸O管單向?qū)щ娦缘恼氩娐泛投O管單向?qū)щ娦缘呢摪氩娐?，所述的二極管單向?qū)щ娦缘恼氩娐凡捎镁G色發(fā)光二極管，所述的二極管單向?qū)щ娦缘呢摪氩娐凡捎眉t色發(fā)光二極管。

所述的集成運算放大器正弦波交流信號驗證裝置，所述的正反向半波整流電路具有正半波整流電路和負半波整流電路，所述的正半波整流電路采用綠色發(fā)光二極管，所述的負半波整流電路采用紅色發(fā)光二極管。

所述的集成運算放大器正弦波交流信號驗證裝置的驗證方法，該方法包括如下步驟：

利用集成運算放大器產(chǎn)生頻率變化的正弦波交流信號驗證二極管的單向?qū)щ娦?，二極管采用發(fā)光二極管，可以直觀觀察二極管在直流信號和交流信號作用下的單向?qū)щ娦?；用發(fā)光二極管組成半波整流、橋式全波整流直觀驗證二極管在電氣領(lǐng)域應用的整流功能；應用交流信號和整流得到的直流信號和應用發(fā)光二極管的單向?qū)щ娦灾庇^認知直流信號和交流信號的特征；通過純電阻負載電路、電阻電容負載電路、電阻電感負載電路認知交流電的電壓與電流的相位關(guān)系、有效值關(guān)系，以及在電容值一定、電感值一定時，調(diào)節(jié)負載電阻得出交流信號電壓與電流相位差的變化規(guī)律。

本發(fā)明的有益效果：

1.本發(fā)明利用集成運算放大器產(chǎn)生頻率變化的正弦波交流信號驗證二極管的單向?qū)щ娦?，二極管采用發(fā)光二極管，可以直觀觀察二極管在直流信號和交流信號作用下的單向?qū)щ娦裕挥冒l(fā)光二極管組成半波整流、橋式全波整流直觀驗證二極管在電氣領(lǐng)域應用的整流功能；應用交流信號和整流得到的直流信號和應用發(fā)光二極管的單向?qū)щ娦灾庇^認知直流信號和交流信號的特征；通過純電阻負載電路、電阻電容負載電路、電阻電感負載電路認知交流電的電壓與電流的相位關(guān)系、有效值關(guān)系，以及在電容值一定、電感值一定時，調(diào)節(jié)負載電阻得出交流信號電壓與電流相位差的變化規(guī)律。

本發(fā)明成本低，器件采購容易，電路中所施加和產(chǎn)生信號的電壓值低，易于中學生的安全操作；該裝置易于實現(xiàn)，通過制作該裝置，可以鍛煉學生的動手能力，可以培養(yǎng)學生的理論分析與實踐能力，可以幫助學生理解和掌握二極管特性和交流電路性質(zhì)的物理課程教學內(nèi)容。

本發(fā)明解決了目前中學生物理課程講授過程中學生難于理解和掌握交流電路性質(zhì)的問題，如交流電在純電阻電路中，回路中電阻壓降與電源電壓是標量關(guān)系，可以直接由各電阻壓降的代數(shù)和得到；若交流電路中含有電容或電感，則電源電壓與電路中器件的壓降是矢量和的關(guān)系，不能直接進行代數(shù)和相加減。

本發(fā)明應用半導體器件運算放大器正反饋自激的原理設計一種頻率可變且可以輸出較低的正弦波交流信號如0.5Hz，施加在發(fā)光二極管上，可以直觀觀察二極管的單向?qū)щ娦?，應?/b>2個二極管可以觀察在小于等于0.5Hz交流信號作用下，2個二極管交替發(fā)光。

本發(fā)明設計的正負半周整流電路和橋式全波整流電路通過電容負載放電可以進一步觀察二極管的單向?qū)щ娦?；驗證二極管在整流上的應用；通過示波器可以觀測整流電路在帶負載時電容兩端電壓在放電和充電過程時的動態(tài)變化。在整流電路中，半波整流均采用發(fā)光二極管，正半波用綠色，負半波用紅色；當正弦波輸出電壓幅值信號大于等于10V時全波整流，對應橋臂的二極管采用同一顏色，如正半波用綠色、負半波用紅色；當正弦波輸出電壓幅值信號小于10V，且大于5V時全波整流對應橋臂的二極管采用一個發(fā)光二極管、一個普通二極管。

附圖說明：

圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是正弦波發(fā)生電路原理圖。

圖3是二極管單向?qū)щ娦则炞C電路圖。

圖4是二極管半波整流電路圖。

圖5是二極管橋式全波整流電路圖。

圖6是交流負載電路圖。

具體實施方式：

實施例1：

一種集成運算放大器正弦波交流信號驗證裝置，其組成包括：變頻正弦波發(fā)生器1，所述的變頻正弦波發(fā)生器分別通過跳線選擇開關(guān)與正反向單向?qū)щ娦噪娐?/b>2、正反向半波整流電路3、橋式安全波整流電路4、純電阻負載電路5、電阻電容負載電路6、電阻電感負載電路7連接。

實施例2：

根據(jù)實施例1所述的集成運算放大器正弦波交流信號驗證裝置，所述的變頻正弦波發(fā)生器由運算放大器、阻容串并聯(lián)網(wǎng)絡和負反饋電路組成，其中電阻由固定阻值的電阻和可變電阻組成，所述的可變電阻為同軸可變電阻。

實施例3：

根據(jù)實施例1或2所述的集成運算放大器正弦波交流信號驗證裝置，所述的阻容串并聯(lián)網(wǎng)絡中電容分四個檔位，分別為10kHz、50Hz、15Hz、0.5Hz。

實施例4：

根據(jù)實施例1或2或3所述的集成運算放大器正弦波交流信號驗證裝置，所述的正反向單向?qū)щ娦噪娐肪哂卸O管單向?qū)щ娦缘恼氩娐泛投O管單向?qū)щ娦缘呢摪氩娐?，所述的二極管單向?qū)щ娦缘恼氩娐凡捎镁G色發(fā)光二極管，所述的二極管單向?qū)щ娦缘呢摪氩娐凡捎眉t色發(fā)光二極管。

實施例5：

根據(jù)實施例1或2或3或4所述的集成運算放大器正弦波交流信號驗證裝置，所述的正反向半波整流電路具有正半波整流電路和負半波整流電路，所述的正半波整流電路采用綠色發(fā)光二極管，所述的負半波整流電路采用紅色發(fā)光二極管。

實施例6：

根據(jù)實施例1或2或3或4或5所述的集成運算放大器正弦波交流信號驗證裝置:正弦波信號發(fā)生模塊具體原理由圖2給出，運算放大器產(chǎn)生自激并發(fā)出正弦波的條件是：電路需要正反饋環(huán)節(jié)具備幅度平衡和相位平衡，在阻容串并聯(lián)網(wǎng)絡中串聯(lián)部分的電阻和電容與并聯(lián)部分的電阻和電容在數(shù)值上對應相等，頻率細調(diào)采用同軸可變電阻以在調(diào)節(jié)信號頻率時同時改變阻容串并聯(lián)網(wǎng)絡參數(shù)；制作時正反饋環(huán)節(jié)的典型參數(shù)選擇：電阻R=100kΩ、電容分4檔：10kHz、50Hz、15Hz、0.5Hz。

負反饋環(huán)節(jié)具備放大倍數(shù)>3，以得到不同頻率的正弦波信號，其中電容全部并聯(lián)后得到的裝置輸出的頻率小于0.5Hz，有利于直觀觀察二極管的單向?qū)щ娞匦?。負反饋環(huán)節(jié)參數(shù)選擇：反饋電阻，信號輸入電阻的可變電阻。為了獲得負反饋環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)>3，需要滿足。為了便于電路起振設置。

實施例7：

上述的集成運算放大器正弦波交流信號驗證裝置，圖3為二極管單向?qū)щ娦则炞C電路圖，當選擇正半波支路D1時，此時可以選擇正弦波發(fā)生器的頻率由高到低設置，觀察發(fā)光二極管的發(fā)光情況，隨著頻率降低，二極管發(fā)光逐漸變?yōu)殚W爍，且閃爍的頻率越來越低，這說明二極管正向?qū)?，反向截止；當選擇負半波支路D2時，發(fā)光二極管狀態(tài)與正半波支路相同，用示波器觀測，交流信號正半波時二極管截止，負半周二極管導通，值為恒值，即二極管導通壓降；同時選擇時，正半波支路和負半波支路的二極管交替閃爍。

實施例8：

上述的集成運算放大器正弦波交流信號驗證裝置，圖4為二極管半波整流電路圖，為了便于觀察二極管整流過程，正弦波發(fā)生器頻率選擇在最低檔，頻率小于等于0.5Hz，當選擇正半波支路D1時，電路接通瞬間，整流二極管發(fā)光后即刻變滅，這是由于電容完成充電，二極管兩端電壓小于導通電壓。此時可以選擇電容的放電支路，可以觀察到發(fā)光二極管開始閃爍；當選擇負半波支路D2時，整流過程和現(xiàn)象與正半波支路相同。

實施例9：

上述的集成運算放大器正弦波交流信號驗證裝置，圖5為二極管全波整流電路圖，為了便于觀察二極管整流過程，正弦波發(fā)生器頻率選擇在最低檔，頻率小于等于0.5Hz。選擇全波整流電路中的電容放電支路，當信號在正半波時，正半波整流二極管D1和D2發(fā)出綠光，當信號在負半波時，負半波整流二極管D3和D4發(fā)出紅光，可以觀察到發(fā)光二極管發(fā)出的綠色和紅色交替閃爍，分別為二極管正半波整流對電容充電和負半波整流對電容充電過程。選擇直流信號驗證二極管單向?qū)щ娦灾罚?/b>D5和D6兩個二極管為反向并聯(lián)，D6正向?qū)òl(fā)出綠色光，D5反向截止，不發(fā)光。

實施例10：

上述的集成運算放大器正弦波交流信號驗證裝置，圖6為交流負載電路圖，選擇純電阻負載。將正弦波信號的頻率選擇到50Hz檔位，通過短路塊選擇此支路，用示波器觀測負載電阻R1兩端電壓和信號發(fā)生器的輸出電壓V0，電阻R1兩端電壓相位與信號源電壓相位相同，當可變電阻大Rl1于零時，負載電阻壓降幅值與信號源電壓幅值不同，調(diào)節(jié)可變電阻Rl1，負載電阻上壓降變化，但相位始終與信號源電壓相位相同，負載電阻壓降大小反映了電流大小，負載兩端電壓的相位也為電流相位，證明純負載交流電路，信號源的交流電壓與回路電流相位相同，且電流波形與交流電源電壓波形一致，電流大小由回路電阻值決定。

圖6為交流負載電路圖，選擇電阻電容負載。將正弦波信號的頻率選擇到50Hz檔位，通過短路塊選擇此支路，用示波器觀測負載電阻Rl1兩端電壓和信號發(fā)生器的輸出電壓V0，當容抗遠大于回路電阻時，電阻兩端電壓相位超前于信號源電壓相位90度，逐漸增加可變電阻阻值，電阻兩端電壓相位超前于信號源電壓相位的角度逐漸減小，當容抗遠小于回路電阻時，電阻兩端電壓相位將與信號源電壓相位相同。電阻兩端電壓的相位與回路電流相位相同。

圖6為交流負載電路圖，選擇電阻電感負載。為了便于選擇電感，將正弦波信號的頻率選擇到10kHz檔位，通過短路塊選擇此支路，用示波器觀測負載電阻Rl1兩端電壓和信號發(fā)生器的輸出電壓V0，當感抗遠大于回路電阻時，電阻兩端電壓相位滯后于信號源電壓相位90度，逐漸增加可變電阻阻值，電阻兩端電壓相位滯后于信號源電壓相位的角度逐漸減小，當感抗遠小于回路電阻時，電阻兩端電壓相位將與信號源電壓相位相同。電阻兩端電壓的相位與回路電流相位相同。

實施例11：

上述的集成運算放大器正弦波交流信號驗證裝置，目的是為了解決目前中學生物理課程講授過程中學生難于理解和掌握半導體器件PN節(jié)的單向?qū)щ娦缘膯栴}，如二極管具有一個PN節(jié)，是半導體中結(jié)構(gòu)最簡單的器件，實際教學過程中只是通過給二極管施以直流電看電路中有無電流來判斷二極管的正向和反向來說明二極管的單向?qū)щ娦裕瑳]有進行二極管在交流信號作用下的單向?qū)щ娦?，主要是低頻交流電源不易得到，如fout=0.5Hz的交流電源；

其中正弦波發(fā)生器的輸出信號頻率由下式確定：

式中R為電阻電容串并聯(lián)網(wǎng)絡中電阻和電容參數(shù)值，選擇不同的值可以得到預設的信號頻率值。