CN106847014A - 一种三色显示电学演示器 - Google Patents

Abstract

一种三色显示电学演示器，属于教学仪器演示领域，由测试孔，测试源，运算放大部分，运放集成开关，阶梯比较放大部分，显示系统共同组成。在测试孔上接上被测物体，在运放集成开关的操作下，使测试源形成有频率与无频率两种测试源，经过运算放大部分的放大后，可靠启动阶梯比较放大部分，由显示系统显示，本发明以集成运放作为一种基本有源件，可以组成多种功能的逻辑关系，能着重了解抗性元件结构与频率的紧密的联系，进而理解容抗与感抗的意义，让初学者打下一定的电学基础，在显示系统中有三色的寻标指示、显示基本单元中有双色共阴极发光管与语音器三种指示，动态感强，色彩鲜明，趣味性强，能培养起广大青少年对科学的热爱。

Description

一种三色显示电学演示器

技术领域

属于教学仪器演示领域。

背景技术

创新是民族之魂，青年学生是创新的力量。

国家的强盛在于人材，人材的培养在于教育。教育的重点青少年，少年强则国强，少年进步则国进步，要培养少年对科学的热爱，提高教学质量是关键，而实验仪器的精准是提高教学的一个重要因素，实验仪器好，所做的实验更具说服力，从而使学生认识事物，了解自然现象，启发学生的思维，对提高教育水平起到重要作用。因此，教学中的各种实验仪器都在不断的提升，但却还存在着很多不足之处：一是实验仪器的种类不足，特别是针对低年级学生的实验仪器还不全面。二是教学仪器中寓教于乐的精神还不够，三是现在多数教学仪器的成本太高，因而对一些偏远的村庄学校，还不能普及到很多普遍的教学仪器。

电学是物理学中最重要的一种门类，充满神奇的电学实验，能激发少年的兴趣，同时对建立电学的基本概念有着重要的作用，如果能研制一种优秀的试验电路，而这种试验电路即能将抽象的将电学部分概念与定律形象化，显然对受教育者有有着积极的帮助。如果这种电路又能成为初学者的自制试验电路，无疑将对提升学生的素质教育有着积极的意义。

但是要设计一种具有一种演示仪器的电路同时又能成为初学者的自制试验电路存在着难点，一是从演示效果上， 由于电学中的概念很多，是作那方面的演示，二是本仪拟定主要是针对电容、电感等与频率有紧密联系的元件作物理性质的演示，而要作那几方面的演示，才能将其物理性得到充分的展示，三是，特别重要的一点是，尽管一些线路能达到演示目的，但不能成为一种优秀的自制实验电路，因为一种优秀的自制实验电路还迁涉各单元实验主题宜于初学者，同时还迁涉初学者的趣味性，以及是否易安装成功等等系列问题，所以这类优秀线路还必须丰富、创新、发展。

本发明就是以集成运放作为一种基本有源件，作为单元的有源要件，可以组成多种功能的逻辑关系，从而拓展学生的思维。

发明内容

本发明就是以集成运放作为一种基本有源件，作为单元的有源要件，可以组成多种功能的逻辑关系，成为一种优秀的电路，其目的一是该线路可以成为一种电学演示器，通过这种电学演示器可以着重了解抗性元件结构与频率的紧密的联系，进而理解容抗与感抗的意义，从而让初学者打下一定的电学基础，这种演示仪可以成为一种在广大学校普及的仪器。二是该仪器因具有光与声的三种色彩的显示，因此具有一定的趣味性，能培养起广大青少年对科学的热爱。三是成为一种优秀的制作实验线路，该电路具有多种特点，因而有利于制着，对提高学生的基本素质有着积极作用。

本发明所采用的措施是：

1、一种三色显示电学演示器由测试孔，测试源，运算放大部分，运放集成开关，阶梯比较放大部分，显示系统共同组成。

其中：运算集成开关由开关按钮、切换二极管一、切换二极管二、集成一单元、交叉电阻一、集成一单元状态指示、集成二极管单元状态指示、引导二极管一、集成二单元、交叉电阻二、引导二极管二、集成三单元、开关上偏隔离电阻、开关交连电阻、集成四单元、开关隔离电阻、开关比较电路、隔离二极管组成：开关按钮的一端接地线，另一端接两个切换二极管的负极，切换二极管一的正极接集成三单元的负相端，切换二极管二的正极接集成三单元的负相端，集成三单元的输出端与集成四单元的负相端接开关交连电阻，开关上偏隔离电阻接在开关比较电路的输出与集成三单元的正相端之间，开关四单元的正相端与开关三单元的正相端相接，开关隔离电阻接在开关二单元的输出与开关三单元的负相端之间，开关比较电路由两个电阻串联在电源与地线之间，其中间串联点即是开关比较电路的输出，接开关二单元与开关一单元的正相端，开关一单元的负相端与开关三单元的输出端之间接引导二极管一，开关二单元的负相端与开关四单元的输出之间接引导二极管二，开关一单元的输出端与开关二单元的负相端之间接交叉电阻一，开关二单元的输出端与开关一单元的负相端接交叉电阻二，开关一单元的输出端与开关二单元的输出端分别接一个状态指示到地线，开关二单元的输出端即是运算集成开关的输出，接隔离二极管的负极。

测试源由测试源比较放大器一、测试源比较放大器二、隔离放大器、测试源比较支路、测试源交连电阻、测试振荡电阻、测试振荡电容组成：测试源比较支路由两电阻串联在电源与地线之间，其中间串联点接测试源比较放大器一、测试源比较放大器二、隔离放大器三的正相端，测试源比较放大器一的输出端接测试源比较放大器二的负相端，测试源比较放大器二的输出端接电源交连电阻到隔离放大器的负相端，测试振荡电容接在测试源比较放大器二的输出端与振荡中心点，测试振荡电阻接在测试源比较放大器一的输出端与振荡中心点，测试源比较放大器一的负相端接振荡中心点，隔离放大器三的负相端接隔离二极管的正极，隔离放大器的输出端接测试孔一。

运算放大部分由运算放大器、运算比较电压支路组成：运算放大器的正相端接测试孔二，运算比较电压支路由两个电阻串联在电源与地线之间，其中间串联点接在运算放大器的负相端，运算放大器的输出端即是运算放大部分的输出。

阶梯比较放大部分由导向电阻、激励比较放大器的静态调整电阻一、激励比较放大器的静态调整电阻二、多个分压电阻、多个激励比较放大器、多个导向二极管、多个钳位二极管组成：导向电阻的一端接运算放大部分的输出，另一端接多个导向二极管的正极，每个导向二极管的负极接一个激励比较放大器的同相端，激励比较放大器的静态调整电阻一、激励比较放大器的静态调整电阻二与多个分压电阻串联，成为多个分压点，每个激励比较放大器的负相端接一个分压点，串联激励比较放大器的静态调整电阻一与激励比较放大器的静态调整电阻二到地线，除第一个激励比较放大器之处的每个激励比较放大器的输出接一个钳位二极管的负极。

显示系统由显示激励单元、显示单元、寻标指示单元、终结延时单元、互锁单元、语音器组成。

显示激励单元由多个显示激励基本单元组成，其中第一显示激励基本单元由一个显示激励器组成，该显示激励器的正相端接第一激励比较放大器的输出，负相端与其余显示激励基本单元中的显示激励器的负相端相连，接激励比较支路。

其余的每个显示激励基本单元均由显示激励器、激励比较支路、输入电阻、输入电容、接地电阻组成：第二显示激励基本单元的输入电阻的一端接第一显示激励基本单元中显示激励器的输出端，第三显示激励基本单元的输入电阻的一端接第二显示激励基本单元的显示激励器的输出端，以后每个显示激励基本单元的输入电阻的一端均接前一个显示激励基本单元的显示激励器的输出端；每个显示激励器的正相端接一个钳位二极管的正极，每个显示激励器的正相端接输入电容与接地电阻到地线，输入电阻的另一端接显示激励器的正相端，每个显示激励器的输出端接一个显示基本单元。

显示单元由多个显示基本单元组成每个显示基本单元由三个共阴级发光管与共阴电阻组成，每个显示激励器的输出端接共阴极发光管的第一阳极，每个共阴极发光管的阴极都接一个共阴电阻到地线。所有共阴极发光管第一阳极相接，第二阳极相接。

互锁单元由几个互锁二极管组成。

寻标指示单元由几个寻标基本单元组成：每个寻标基本单元均由寻标振荡电路、寻标指示、寻标指示的触发二极管组成。

寻标振荡电路由寻振荡器、寻振荡器的振荡电阻、寻振荡器的振荡电容、寻振荡器的正端比较支路组成。

两个显示激励基本单元对应一个寻标基本单元，第二个、第四个……直到最后一个双数的显示激励基本单元的显示激励器的输出端接一个互锁二极管的负极，每个互锁二极管的正极接一个寻振荡器的正相端，

第二个、第四个……直到最后一个双数的显示激励基本单元的显示激励器的输出端接一个寻标指示第二色触发二极管到寻标指示的第二阳极。

寻振荡器的正相端接寻振荡器的下端比较支路，寻振荡器的振荡电阻接在寻振荡器的输出端与负相端之间，寻振荡器的振荡电容接在寻振荡器的负相端与地线之间。

每个寻振荡器的输出端接一个寻标指示第一色触发二极管到寻标指示的第一阳极，每个寻振荡器的输出端接一个语音器。

每个寻标指示的第三色触发二极管都正极与共阴极发光管的第二阳极相连，寻标指示的第三色触发二极管一的负极接寻标指示的第一阳极，寻标指示的第三色触发二极管二的负极接寻标指示的第二阳极。

终结延时单元由终结延时器一、终结延时器二、终结清零二极管、延时电阻一、延时电容一、延时电阻二、延时电容二、终结比较电路组成。

延时电阻一的一端接最后一个显示激励器的输出端，另一端接终结延时器一的正相端，延时电容一接在终结延时器的正相端与地线之间，终结延时器一的输出端接所有共阴极发光管的第二阳极，的输出接延时电阻二到终结延时器二的负相端，延时电容二接在终结延时器二的负相端与地线之间，终结延时器一的负相端与终结延时器二的正相端相连，接终结比较电路，终结延时器二的输出端与所有导向二极管的正极之间接终结清零二极管。

2、寻标指示采用一个共阴极发光管，它的阴极接一个共阴电阻到地线。

3、所有二极管均采用面贴合型二极管。

4、终结延时器、寻振荡器、显示激励器、激励比较放大器、运算放大器、测试源比较放大器、隔离放大器、运放集成开关中的四个集成单元都采用同样型号的集成运放电路。

对上述措施的意义解释如下：

一、整个电路图所产生的原理。

本发明中的测试源比较放大器是用运算集成放大器了一种RC振荡器，成为测试源，它可以转换成具有频率的脉冲电源，也可以成为一种频率为零的电源，即是直流电流，这种切换开关也是由集成运放电路组成，即是运算集成开关。当演示电学线路中的参数元件电阻，电容、电感时，连在测试孔两端时，与测试源成为了串联关系，测试源产生的电流经过测试孔两端元件降压后，进入到运算放大部分，进行放大，再进入阶梯比较放大部分，该部分有多个激励比较放大器，每个激励比较放大器的比较电压形成递增的比较电压，运算放大部分的输出连接了激励比较放大器的信号输入端，每个激励比较放大器，连接了一个显示系统中的显示激励基本单元，每个显示激励基本单元对应一个显示基本单元。当无电压时，封闭了对应的显示基本单元。从而显示基本单元不工作。当超过比较电压时，该激励比较放大器有输出时，对应的显示基本单元。由于激励比较放大器的比较电压端为递增，所以运算放大部分输出信号越强，所有高位输出的激励比较放大器就越多，因而所激励显示基本单元越多。从而达到了对电阻，电容、电感的演示效果。

在整体设计上，本发明一是可以作为一种优秀的演示仪，二是可以作为一种引导青少年实验制着的优秀实验线路。

对于优秀的演示仪的功能上，为演示效果丰富，本措施注意到了以下几点。

在测试源的设计上，一是可以切换成具频率的脉冲电源形式，又可以成为频率为零即是直流的形式，用两种不同的电源，可以增进对抗性元件的了解。因为两种电源对频率元件将产生非常不同的效果。二是增加的频率可调，因此不仅可以演示抗性元件在有频率与直流的两种特殊，可以进一步观察频率高低对元件的影响。三是与运放集成开关配合后，使用方便，指示清楚。

由于运算放大部分，在可以对脉冲频率电流与直流电进行放大的同时，无信号时输出为零，即是不产生静态静态位移，三是放大倍数可调 从而提升了产品性能。

在演示效果上一是采用了光与声效果。其中光显示效果为流水型式，延伸式，有趣味，二是在流水的路的一段路程，有标记闪亮，成为三色光亮，增加了视角效果。

可以作为一种引导青少年实验制着的优秀实验线路。主要是有以下特点，有利于激发青年的学习热情，有利于提高学生的素质教育。一是注重了主题突出，本电种突出了运算放大集成电路认识，因为所有单元均是由一种型号放大集成电路单元组成。品种单一，能避免初学者产生繁而厌学的情况。二是一种型号怕运算放大器，经过演变，成为了四种简单的放大线路，因而可以引导初学者积极思维，拓展想象空间，有利于提高素质教育。三是各单元相对独立，各单元联系科学，调试简单，基本上一装就成。各单元检查时有一定趣味性，这些特点有利于初学者动手试验。

二、测试源的说明。

测试源由测试源比较放大器一（图1中的2.1）、测试源比较放大器二（图1中的2.2）、隔离放大器（图1中的2.3）、测试源比较支路（图1中的2.5）、测试源交连电阻（图1中的2.6）、测试振荡电阻（图1中的2.7）、测试振荡电容（图1中的2.8）组成。

其中由两个集成运放电路组成了测试源的比较放大器，并再连接成了振荡线路，形成的原理是。

在线路中测试振荡电阻由可调电阻与固定电阻的串联而成，形成了振荡频率的时间常数，其原因是，当电阻越大，则对电容充电的时间越长，反之时间越短，因而调节可以调试振荡频率，其中的固定电阻是对可调电阻的一种限制，使其频率在可调的一定区间内。

其中隔离放大器连成了一个反相器。成为了振荡与负载之间的隔离件，因而使振荡的性能更稳定。所以该部分线路可靠，为整体电路即产品的性能奠定了良好的条件。

用集成运放电路连成这样的电路，主要有几下好处，一是同相端有门坎电压，能增进抗干扰能力，一是作为一种实验线路所有单元部分的电路都成为了统一的有源件，有利于初学者的自制。

三、运放集成开关的说明。

运算集成开关由开关按钮（图1中的1.0）、切换二极管一（图1中的1.01）、切换二极管二（图1中的1.02）、集成一单元（图1中的1.1）、交叉电阻一（图1中的1.11）、集成一单元状态指示（图1中的1.18）、引导二极管一（图1中的1.12）、集成二单元（图1中的1.2）、交叉电阻二（图1中的1.21）、引导二极管二（图1中的1.22）、集成二极管单元状态指示（图1中的1.28）、集成三单元（图1中的1.3）、开关上偏隔离电阻（图1中的1.31）、开关交连电阻（图1中的1.32）、集成四单元（图1中的1.4）、开关隔离电阻（图1中的1.41）、开关比较电路（图1中的1.6）、隔离二极管（图1中的1.9）组成。

其主要目的是控制测试源的工作状况，使测试源成为有频率的测试源，或是成为频率为零的直流电源，让观看者了解抗性元件在这两种电源的情况下，的物理现象。从而揭示抗性元件与频率的关系。

开关对测试源的控制逻辑是，运放集成开关的集成二单元的输出端逻辑控制端，通过交连二极管负极连接了振荡器的反相输出端，当运放集成开关的输出端为低位时，隔离放大器的反相端受影响而始终为负，所以输出高位，即是直流。集成二单元的输出端为高位时，不影响测试源的振荡器，对测试源无影响。

运放集成开关具备三特性，一是具有输出端在按钮的配合下，可以输出高位信号，也能输出低位信号，二是具有自保持特性，即是一种输出信号能自保持到下次按钮操作新的信号到来之前。三是逻辑可靠。同时增加状态指示容易。

形成的原理是，第一单元与第二单元的反相端经过交叉电阻的连接后，连接成了正反馈电路，当两单元中其中一单元的输出端为高时，另一单元反相端输入为高位，从而输出端低位，反之当其另一单元的输出端为低位时，另一单元的反相端输入为低位，从而另一单元的输出端高位。

第三单元与第四单元连成了比较放大器，当反相端电压低时（意义是比同相端的比较电压低时）分别是两个反相器，其中第四单元的反相端经过开关交连电阻连接在第三单元输出端上。第三单元与第四单元的输出端分别经过两只引导二极管连接第一单元与第二单元管的反相端。同时第二单元的输出端经过开关隔离电阻连接了第三单元的反相端。

当开关按钮为常闭状态时接通地线时，第三单元与第四单元的反相端经过切换二极管受按钮接地线（零位）的原因而为负信号，第三单元与第四单元输出端均为高位，两输出端所连两个交连引导二极管均处于反向偏置，对第三单元与第四单元的反相端均无影响。

当按钮转换为断开状态时，第三单元与第四单元的反相端不受按钮开关接地线（零位）的影响，而只决定两单元原有状态，如果第三单元输出端为低位，则第四单元输出端为高位，此时第三单元输出端所连接二极管发生作用，控制第一单元的反相端为低，输出端为高。第二单元的输出端为低位，成为一种低位状态的自保持状态输出，直到下次按钮开关的作用。

由于第二单元的输出端连接了第三单元的反相端，所以此时第三单元的反相端输入了低位信号，其输出端为高。第四单元的反相端输入了高位信号，其输出端为低位信号。此时按钮开关处于断路时，第四单元输出端所连的引导二极管对第二单元的反相端主导作用，使第二单元的输出端输出高位，成为一种输出为高位的自保持状态，直到下次按钮开关的作用。以后的翻转原理同前。

采用运放集成开关后主要有以下突出的好处，一是配套的按钮是一种轻触钮，同时也便于安装状态指示。整体高档，受用，二是按钮开关在生产时不产生飞线，可以直接和印刷板产生联系，因而可进一步保证产品质量。三是按钮属一种普通元件，易于购买。四作为试验线路时，有源件统一，由运放电路的比较放大器演变组成，便于初学者试验制着。五是在采用统一的运放集成的条件下，逻辑可靠，外围件少。线路简洁。

四、关于运算放大部分的说明。

该电路的主要目的是，当演示件如电感 ，经过测试源后，会产生电压低落的情况，如果直接激励显示单元，有可能发生显示不够清楚的情况，而经过该电路放大后，能量有所提升，因而是显示效果更加宏观。

运算放大部分具有三项重要的特性，一是具有良好的放大特性，二是应由集成运放电路组成，统一有源件型号，以突出主题。三是具有放大倍率的可调，因而适应面更宽。其演示效果更好。四是对脉冲频率电源信号，或直流信号均有放大作用。

放大级接成了典型的同相输入比例放大线路，这种放大线路因为没有隔直电容，所以对有频率的信号与直流均能放大。虽然这种放大电路的输出，存在静态电压，即是当输入端无信号时，仍有输出电压，但可以经过后级的电路加以消除。

五、阶梯比较放大部分的说明。

本部分由由导向电阻、激励比较放大器的静态调整电阻一、激励比较放大器的静态调整电阻二、多个激励比较放大器、多个导向二极管、多个钳位二极管组成。

由于多个激励比较放大器的比较电压端即是反相端，是连接在分压电阻的各分压点上，各分压点中的分压电阻参数一致，所以比较放大器的比较电压成为阶梯下降，（从靠近电源端的分压点为起点计算）。

由于各激励比较放大器的反相端连接的比较电压，所以当信号端即是同相端的所加的信号超过门坎后，输出端有输出。从而激励后级所连接的显示基本单元。

比较电压最低的放大器的比较电压值因为门坎值略大于前级的静态电压（即是前级的输入端在无信号时，其输出端具有的电压）所以在前级输入端在无信号时，比较电压最低的放大器输出端不会有高位输出。只有前级输入端有信号且高过门坎后才可能有高位信号输出。所以比较电压最低的放大器的下偏电阻（即是接地电阻），设计为可调，其目的就是可调整比较电压超过前级的静态工作点电压。从而使显示准确。

A、由于各个比较放大器的比较电压值，可以调试得很小，所以比较放大器可以有较多的数量。

B、当前级的输出的电压高，则能使该级中的激励比较放大器输出高位的数量越多。

六、光显示与声响的说明。

显示系统由显示激励单元、显示单元、寻标指示单元、终结延时单元、互锁单元组成。

显示激励单元由多个显示激励基本单元组成，其中第一显示激励基本单元由一个显示激励器组成，该显示激励器的正相端接第一激励比较放大器的输出，负相端与其余显示激励基本单元中的显示激励器的负相端相连，接激励比较支路。

其余的每个显示激励基本单元均由显示激励器、激励比较支路、输入电阻、输入电容、接地电阻组成。

显示单元由多个显示基本单元组成每个显示基本单元由三个共阴级发光管与共阴电阻组成，组成。显示基本单元共阴极发光管亮的状态特点是：一是。共阴极发光管光亮为动感。成为一种渐进式，流水式，信号越强，所显示越多，共阴极发光管亮得越远，二是有寻标指示，即是代表水流的共阴极发光管亮到一定路程后，寻标指示会闪亮出第二种颜色，且成为闪动。三是周期循环，周期变色，即是共阴极发光管亮到终结后，会产生新的循环，而且会产生第三种色彩。显示的效果一是将抽象的电流比喻成水流。二是闪亮因此而而新奇，在演示时吸引眼球，在制着试验时安装者有一定趣味。

显示基本单元共阴极发光管具体亮的规律是：先是第一个显示基本单元中的共阴极发光管亮，之后是第二个显示基本单元中的共阴极发光管亮，但第一个显示基本单元中的共阴极发光管不熄，再之后是第三个显示基本单元中的共阴极发光管仍亮，其它显示单元不熄，共阴极发光管亮到途中一位置后，在本发明的图2中，每两个显示基本单元发光后，第一个寻标指示亮以两种色彩变换光亮-----以后按这种规律直到最后。直到最后一个显示基本单元亮。一旦最后一个显示基本单元亮后，所有共阴极发光管变为第三种色，同时全熄，在测试源还有电压输出时，又重复上述规律。

其原因是：当分压点无电压时，所连接的所有激励比较放大器正相端均低于负相端的比较电压，所以无输出，显示基本单元不亮。

其原因是：运算放大部分的输出端无电压时，所连接的所有激励比较放大器正相端为低位，所连接的显示激励器输出端为低位，所连接显示基本单元均不亮。

运算放大部分的输出端有电压输出时，当超过激励比较放大器门坎时，对应的激励比较放大器工作。运算放大部分输出的信号越强，输出高位的激励比较放大器个数越多。而且所激励的激励比较放大器的顺序是从第一个比较放大器（即是比较电压端电压最低的那个放大器）开始，然后向比较电压高的激励比较放大器触发。

激励比较放大器正相端为高位时，所连接的显示激励器输出为高位，所带的发光管亮。因为输出的高位的激励比较放大器是有顺序的。（所输入信号的大小的约束）所以所连接的显示激励器输出高位也是有顺序的，而且是以激励比较放大器的顺序为前提。

在激励比较放大器输出端为高位以后，显示激励器的工作状态如下：

当第一显示激励器（图2中的8.11）（即是与第一个比较放大器相连的显示激励器）输出高位后，该显示激励器所连接的第一显示基本单元发光，与此同时通过输入电阻一（图2中的8.22）向输入电容一（图2中的8.24）充电。当充电电压超过门坎值后，第二显示激励器（图2中的8.21）正相端为高位，所激励的第二显示基本单元发光，与此同时通过8.32、输入电阻二（图2中的8.32）向输入电容二（图2中的8.34）充电。当充电电压超过门坎值后，第三组显示激励器（图2中的8.41）正相端为高位，所激励的第三显示基本单元发光，与此同时通过输入电阻三（图2中的8.42）向输入电容三（图2中的8.44）充电，以此循环直到最后。

当第二，第四，第六显示激励器输出端为低位时，所连接的锁二极管为正向偏置，因而对应所连接的三个寻振荡器输出低位，寻标指示无电源不发光。当第二，第四，第六显示激励器输出高位时，一方面对寻标指示的第二阳极传递了电压，另一方面所连接的互锁二极管成为反向偏置，寻振荡器振荡，输出了电压给寻标发光管第一阳极电压，所以寻标指示现在发出的是两路色彩，而且是闪动的。这时语音器将随振荡端输出高位而发出声音。

当最后一个显示激励器输出高位时，经过延时电阻一后连接了终结延时器一的正相端，所以此终结延时器输出高位，向外输出了高位信号，因而使所有显示基本单元中共阴极发光管的第二阳极为高位，同时使寻标指示两阳极为高位，所以所有共阴极发光管将再变一次色彩，其中寻标指示为第三种色彩。在此延时的基础上，再经过一次延时，与之对应连接的终结延时器二输出低位，（因为连接的反相端）经过终结清零二极管的传递，所有激励比较放大器的信号输入端即激励比较放大器的正相端为低位，输出端为低位，从而显示激励器输出端为低位，从而开始新的循环。输入电容经过连接电容放电，为下次循环作准备。

实施后有以下突出的优点：

一、电学是物理学中重要的内容。而对初学者来说，对直流电的理解相对容易，而对具有频率的电流对电路元件的影响会感到抽象。而本仪的演示会使初学者的抽象概念变得实际。因此对深入学习电学有着积极意义。具体情况有以下几点：

（1）、因为本演示仪中的测试源可以在运放集成开关的切换下，可以变为脉冲电源，也可以变为直流电，所以可以清楚地演示出抗性元件（如电容，或电感）在频率为零的情况（即是直流电），与具有频率的脉冲电流情况下的物理现象是完全不同的，

如电容（电容其构造是两块不相连的导电物质平面），这种特殊的构造在在直流状态下，只可能瞬态地一次性充电，最后成为断路状态（表现为显示部分发光管只瞬态的亮一下，然后全熄）。但在在频率的脉冲电源下，却发生了戏剧性的变化，因这种不相连的两面能顺利地通过电流。

如电感在直流状态下，是一个很好的良导体，但是在通过频率的脉冲电流时，但在在频率的脉冲电源下，却发生了戏剧性的变化，因这种首尾相连的导线却对电流存在阻力，其物理特性完全变化。

（2）、本发明测试源的频率可调。可以演示出频率越高，对频率元件的影响效果越大，如同一参数电容，频率越高，导通性越好。

又如同一参数电感线圈，频率越高，其呈现的阻力越大。

（3）、可以演示出，在同样的电压下，电容越大，容抗越小，即是对电流的阻力越小，而电感越大，则感抗越大，即是对电流的阻力越大。

（4）、可以演示出电容中呈现容抗的大小的主要内部原因，如电容的内部不相连的两导电面越大，则容抗越小，两导电面之间的绝缘层越厚，则容抗越小。

（5）、可以演示出电感中呈现感抗的大小的主要内部原因，如线圈的直径越大，则感抗越大，反之感抗越少。

（6）感抗还与线圈中的是否有导磁材料有关，并与导磁材料的性质有关。

二、性能优异主现体现在以下几点：

1、光显示效果好。一是。发光管光亮为动感。成为一种渐进式，流水式，信号越强，所显示的小单元越多，发光管亮得越远，二是有寻标发光管，即是代表水流的发光管亮到一定路程后，寻标发光会闪亮出第二种颜色，且成为闪动。三是周期循环，周期变色，即是发光管亮到终结后，会产生新的循环，而且会产生第三种色彩。显示的效果一是将抽象的电流比喻成水流。二是闪亮因此而而新奇，在演示时吸引眼球。

2、演示过程光与声音显示并存，增加了趣味效果，观看者寓教于乐。

3、运放集成开关为按钮电子开关，有以下突出的好处，一是按钮是一种轻触钮，手感好。二是每按一次状态变换一次，操作方便。三是可以清楚地显示出是当前控制的状态，如是直流状态，这时指示灯为一种颜色，如是脉冲的频率电源，又会成另一处颜色，在清楚明瞭整体高档。四是按钮开关在生产时不产生飞线，可以直接和印刷板产生联系，因而可进一步保证产品质量。五是按钮属一种普通元件，易于购买。这些优点，也便于试验电路购买。

4 、显示的量化效果好，因为在阶梯比较放大部分中具有静态可调电阻，能消除运算放大单元产生的静态电压，使之静态电压为零，不存在初始电位，即是除运算放大单元输入端无电压，阶梯比较放大部分各比较放大器不输出高位，显示部分不显示。因而保证了显示的准确。

5、演示的元件范围宽，一是因为本仪的运算放大单元因而具有较高的灵敏度，特别是对当容抗较大时，亦能清楚显示，二是该放大电路在脉冲状态与直流状态均有放大作用。三是放大量可选择，更加了灵活性。

6、可以演示出电阻、绝缘体、电流的概念，演示出当电压一定时，电流与电阻之间的关系。电阻越大，电流越小的视觉效果。以让年纪更小的学生建立更基础的电学知识。

三、因为上述几点原因，同时所本仪属于初级的普及型的演示仪。适应面广，小学与中学及科普教育都很适合，社会的需要有很大空间。

四、本仪易生产，一是因为元件品种少，这对采购，插件，都十分容易，二是调试简单，而且不需要贵重仪器检测，三是成本低。

五、本发明线路精简，各单元联系科学，可操作性很强，因此可以启发学生自行试验安装，通过自制，可以进一步提高学生动手能力与实践水平，这对提高学生素质有着积极的意义。而本发明在自制上有以下特点，因而十分适合自制。

一是各部分独立，可以部分为单位通电检验。而且每个部分充满着一定趣味性，如显示部分，成功后发光管光亮为流水循环状，而且呈现一定规律的音乐声。

二是各部分间之间连接科学，基本上不会产生故障，所以在完成部分调试后，就可完成整体工作。

三是有源件全为运放的几种基本线路，，因此便于初学者对运放的认识，由于有源件品种单一，重点突出，有利于初学者学习，避免繁而厌学，或贪多不烂的情况。而且这几种基本线路，经过的组合，可以演变成系列的逻辑关系，与多种功能，因而可以引导初学者积极思维，拓展想象空间，有利于提高素质教育。

附图说明

图1是一种三色显示电学演示器除显示系统与阶梯比较放大部分外的其余各部分电子电路图。

图中：1.0、开关按钮；1.01、切换二极管一；1.02、切换二极管二；1.1、集成一单元；1.11、交叉电阻一； 1.12、引导二极管一；1.18、集成一单元状态指示；1.2、集成二单元；1.21、交叉电阻二；1.22、引导二极管二；1.28、集成二极管单元状态指示；1.3、集成三单元；1.31、开关上偏隔离电阻；1.32、开关交连电阻；1.4、集成四单元；1.41、开关隔离电阻；1.6、开关比较电路；1.9、隔离二极管；2.1、测试源比较放大器一；2.2、测试源比较放大器二；2.3、隔离放大器；2.5、测试源比较支路；2.6、测试源交连电阻；2.7、测试振荡电阻；2.8、测试振荡电容；3.1、测试孔一；3.2、测试孔二；5.1、运算放大器；5.2、运算比较电压支路；5.5、运算放大部分的输出。

图2是显示系统与阶梯比较放大部分的电子电路图。

图中：5.5、运算放大部分的输出；7.0、导向电阻；7.01、激励比较放大器的静态调整电阻一；7.02、激励比较放大器的静态调整电阻二；7.03、各分压电阻；7.1、第一激励比较放大器；7.10、第一导向二极管；7.2、第二激励比较放大器；7.20、第二导向二极管；7.21、钳位二极管一；7.3、第三激励比较放大器；7.30、第三导向二极管；7.31、钳位二极管二；7.4、第四激励比较放大器；7.40、第四导向二极管；7.41、钳位二极管三；7.5、第五激励比较放大器；7.50、第五导向二极管；7.51、钳位二极管四；7.6、第六激励比较放大器；7.60、第六导向二极管；7.61、钳位二极管五；8.11、第一显示激励器；8.12、激励器负端上偏电阻；8.13、激励器负端下偏电阻；8.21、第二显示激励器；8.22、输入电阻一；8.24、输入电容一；8.23、接地电阻一；8.31、第三显示激励器；8.32、输入电阻二；8.34、输入电容二；8.33、接地电阻二；8.41、第四显示激励器；8.42、输入电阻三；8.44、输入电容三；8.43、接地电阻三；8.51、第五显示激励器；8.52、输入电阻四；8.54、输入电容四；8.53、接地电阻四；8.61、第六显示激励器；8.62、输入电阻五；8.64、输入电容五；8.63、接地电阻五；9.1、第一基本显示单元；9.2、第二基本显示单元；9.3、第三基本显示单元；9.4、第四基本显示单元；9.5、第五基本显示单元；9.6、第六基本显示单元；10.10、第一语音指示；10.11、寻振荡器一；10.12、寻振荡器一的振荡电阻；10.13、寻振荡器一的振荡电容；10.14、寻标指示一；10.15、寻振荡器一的正端比较支路；10.16、互锁二极管一；10.17、寻标指示一第一色触发二极管；10.18、寻标指示一第三色触发二极管一；10.19、寻标指示一第三色触发二极管二； 10.20、第二语音指示；10.21、寻振荡器二；10.22、寻振荡器二的振荡电阻；10.23、寻振荡器二的振荡电容；10.24、寻标指示二；10.25、寻振荡器二的正端比较支路；10.26、互锁二极管二；10.27、寻标指示二第一色触发二极管；10.28、寻标指示二第三色触发二极管一；10.29、寻标指示二第三色触发二极管二；10.110、寻标指示一第二色触发二极管；10.210、寻标指示二第二色触发二极管；10.30、第三语音指示；10.31、寻振荡器三；10.32、寻振荡器三的振荡电阻；10.33、寻振荡器三的振荡电容；10.34、寻标指示三；10.35、寻振荡器三的正端比较支路；10.36、互锁二极管三；10.37、寻标指示三第一色触发二极管；10.38、寻标指示三第三色触发二极管一；10.39、寻标指示三第三色触发二极管二；10.310、寻标指示三第二色触发二极管；11.0、终结清零二极管；11.1、终结延时器一；11.2、终结延时器二； 11.3、延时电阻一；11.4、延时电容一；11.5、延时电阻二；11.6、延时电容二；11.8、终结比较电路。

具体实施方式

图1、图2是具体实施的一种方式。

一、选元件：按图选定有源件，寻标指示采用一个共阴极发光管，它的阴极接一个共阴电阻到地线。所有二极管均采用面贴合型二极管。终结延时器、寻振荡器、显示激励器、激励比较放大器、运算放大器、测试源比较放大器、运放集成开关中的四个集成单元都采用同样型号的集成运放电路。

二、焊接。除显示系统与阶梯比较放大部分外的其余各部分电子电路如图1所示焊接，显示系统与阶梯比较放大部分如图2所示焊接。

三、调试。

1、检查与调试测试源。

当按钮开关在常闭触点与地线断开的情况下，用示波器的热端接隔离放大器的输出端，示波器显示有振荡图形，在此时测试物体是在脉冲状态下测试，也即是物体在有频率状态下的情况。

调整测试振荡电阻、测试振荡电容可调整其振荡频率，其规律是阻容值越大，振荡越慢，阻容值越小，振荡越快。而运放上偏电阻与运放下偏电阻的值则是调整前级运放器的启动灵敏度。

当按钮开关在常闭触点与地线接通时，用示波器的热端接隔离放大器的输出端，示波器显示为直流状态，此时测试的物体状态是在无频率状态下的情况。如不正确，则是隔离放大器与运放集成开关中第二单元的输出端未连接上。

2、检查与调试运放集成开关。

用示波器或万用表检查。

A、用示波器（或万用表）的正极连接开关中第三单元或第四的输出端，断开开关按钮，当第三单元的输出端为高时，第四单元的输出端为低，反之当第三单元的输出端为低时，第四单元的输出端为高，否则是线路错误。

B、用示波器（或万用表）的正极连接开关中的第三单元或第四单元的输出端，恢复按钮支路，让按钮开关常闭触点接地，此此第三单元与第四单元的输出端应同时为高，否则是两单元与按钮开关所连接的引导二极管极性焊反。

C、用示波器（或万用表）的正极连接第一单元或第二单元的输出端，暂时断开第三单元输出端与第一单元反相端的引导二极管，同时断开第四单元输出端与第二单元反相端的引导二极管。此时第一单元输出端为高时，第二单元的输出端低，反之当第一单元的输出端低时，第二、三单元的输出端为高，否则是线路错误。

将线路完全恢复，用示波器（或万用表）的正极连接第二单元的输出端，这时每按一次按钮，第二单元的输出端变化一次，如不正确，则是第二单元的输出端与第三单元的负相端未连接上。此时对应状态指示始终为一亮一熄，如为正确，则是两状态指示中的发光管极性焊反。

3、检测运算放大部分。

用示波器检查，用示波器的热端先连接该级的输入端，继而再连接输出端。冷端接地。

A、用一个电容或电感连接在测试孔上，测试输入端时示波器有信号显示，测输出端时，示波器的信号明显加强。

用一个电阻接在测试孔上，测试输出端昌，示波器的信号也明显加强。

B、调运算比较支路，示波器的信号会明显发生变化。

4、阶梯比较放大部分的检测。

用示波器或万用表检查，用万用表的热端依次接该电路各分压点的电压。

A、在测试孔上，连接一个测试电容，调节脉冲振荡源的频率，加大频率，此时各分压点高位点会增多。

B、在测试孔上，连接一个测试电感，调节演示电源的频率，加大频率，此时各分压点高位点会增多。

C、当分压点为高位时，所连接的前置激励运放器的输出端为高位，反之为低位。

当测试孔上无测试物体时，各激励比较放大器的输出应无电压，如不正确，调整激励比较放大器的静态调整电阻一与激励比较放大器的静态调整电阻二，激励比较放大器的静态调整电阻一是对激励比较放大器的静态调整电阻二的最小值的限制，调整正确的现象是：当测试孔上无测试物体时，各激励比较放大器的输出应无电压，当测试孔上有被测物体时，各激励比较放大器能很容易启动。

5、检查与调试显示系统。

A、所有显示基本单元中的共阴极发光管发光的稳定规律是：先是第一个显示基本单元中的共阴极发光管亮，之后是第二个显示基本单元中的共阴极发光管亮，但第一个显示基本单元中的共阴极发光管不熄，再之后是第三个显示基本单元中的共阴极发光管仍亮，直到最后一个显示基本单元亮。一旦最后一个显示基本单元亮后，所有共阴极发光管变为第二种色，同时全熄，后又重复上述规律。如果不正确则，线路连错。或是延时终结单元断路。

B、如果某一显示基本单元不亮，则应检查该显示基本单元的前级显示激励器的输出端是否为高位，如果为高位，则是该单元的共阴极发光管极性焊反，或连线错误。

寻标指示发光的规律是：当第二，第四，第六显示激励器输出端为低位时，寻标指示无电源不发光。当第二，第四，第六显示激励器输出高位时，用示波器测寻振荡器的输出端应有振荡图形，寻标指示应发出闪动的两种色彩。

如果寻振荡器不振荡，则查看该振荡器所对应的显示基本单元是否正确，如果显示基本单元正确，则是该振荡器损坏。

如果寻标指示不亮，一是寻振荡器的输出与寻标指示第一色触发二极管焊反或寻标指示一第二色触发二极管焊反，或是寻标指示的共阴电阻未接通地线。

用万用表查看延时终结单元：当最后一个显示基本单元发光后，延时终结单元启动，用万用表红表笔分别测延时终结器一的输出端与延时终结器二的输出端，万用表显示为延时终结器一的输出为高位，此时，所有显示基本单元的共阴极发光管为第二种颜色，所有寻标指示为第三种颜色。如不正确，则是连线有误。

而在延时电阻二与延时电容二形成的延时时间常数内延时终结器二的输出为高位，达到这个时间常数后，延时终结器二的输出端为低位，此时所有显示基本单元与寻标指示均熄。如不正确，则是连线有误。

调整延时电阻与延时电容值，能调整延时终结的时间。

6、检查测试源为直流状态下的工作情况。

A、用按钮开关将测试源切换在直流状态下，此时示波器的显示为直流。

在测试孔上，连接不同阻值的电阻，如果阻值越小，则亮的单元越多。

B、在测试孔上，连接一个测试电容，这时显示单元会出现瞬态的亮一下。

C、在测试孔上，连接一个容量较大的电容，这时显示单元会出现瞬态的亮一下，而且所亮的共阴极发光管会增多。

在测试孔上，连接一个测试电感，这时会有所有显示基本单元亮的情况。

Claims (4)

1.一种三色显示电学演示器，其特征是：由测试孔，测试源，运算放大部分，运放集成开关，阶梯比较放大部分，显示系统共同组成；

其中：运算集成开关由开关按钮、切换二极管一、切换二极管二、集成一单元、交叉电阻一、集成一单元状态指示、集成二极管单元状态指示、引导二极管一、集成二单元、交叉电阻二、引导二极管二、集成三单元、开关上偏隔离电阻、开关交连电阻、集成四单元、开关隔离电阻、开关比较电路、隔离二极管组成：开关按钮的一端接地线，另一端接两个切换二极管的负极，切换二极管一的正极接集成三单元的负相端，切换二极管二的正极接集成三单元的负相端，集成三单元的输出端与集成四单元的负相端接开关交连电阻，开关上偏隔离电阻接在开关比较电路的输出与集成三单元的正相端之间，开关四单元的正相端与开关三单元的正相端相接，开关隔离电阻接在开关二单元的输出与开关三单元的负相端之间，开关比较电路由两个电阻串联在电源与地线之间，其中间串联点即是开关比较电路的输出，接开关二单元与开关一单元的正相端，开关一单元的负相端与开关三单元的输出端之间接引导二极管一，开关二单元的负相端与开关四单元的输出之间接引导二极管二，开关一单元的输出端与开关二单元的负相端之间接交叉电阻一，开关二单元的输出端与开关一单元的负相端接交叉电阻二，开关一单元的输出端与开关二单元的输出端分别接一个状态指示到地线，开关二单元的输出端即是运算集成开关的输出，接隔离二极管的负极；

测试源由测试源比较放大器一、测试源比较放大器二、隔离放大器、测试源比较支路、测试源交连电阻、测试振荡电阻、测试振荡电容组成：测试源比较支路由两电阻串联在电源与地线之间，其中间串联点接测试源比较放大器一、测试源比较放大器二、隔离放大器三的正相端，测试源比较放大器一的输出端接测试源比较放大器二的负相端，测试源比较放大器二的输出端接电源交连电阻到隔离放大器的负相端，测试振荡电容接在测试源比较放大器二的输出端与振荡中心点，测试振荡电阻接在测试源比较放大器一的输出端与振荡中心点，测试源比较放大器一的负相端接振荡中心点，隔离放大器三的负相端接隔离二极管的正极，隔离放大器的输出端接测试孔一；

运算放大部分由运算放大器、运算比较电压支路组成：运算放大器的正相端接测试孔二，运算比较电压支路由两个电阻串联在电源与地线之间，其中间串联点接在运算放大器的负相端，运算放大器的输出端即是运算放大部分的输出；

阶梯比较放大部分由导向电阻、激励比较放大器的静态调整电阻一、激励比较放大器的静态调整电阻二、多个分压电阻、多个激励比较放大器、多个导向二极管、多个钳位二极管组成：导向电阻的一端接运算放大部分的输出，另一端接多个导向二极管的正极，每个导向二极管的负极接一个激励比较放大器的同相端，激励比较放大器的静态调整电阻一、激励比较放大器的静态调整电阻二与多个分压电阻串联，成为多个分压点，每个激励比较放大器的负相端接一个分压点，串联激励比较放大器的静态调整电阻一与激励比较放大器的静态调整电阻二到地线，除第一个激励比较放大器之处的每个激励比较放大器的输出接一个钳位二极管的负极；

显示系统由显示激励单元、显示单元、寻标指示单元、终结延时单元、互锁单元、语音器组成；

显示激励单元由多个显示激励基本单元组成，其中第一显示激励基本单元由一个显示激励器组成，该显示激励器的正相端接第一激励比较放大器的输出，负相端与其余显示激励基本单元中的显示激励器的负相端相连，接激励比较支路；

其余的每个显示激励基本单元均由显示激励器、激励比较支路、输入电阻、输入电容、接地电阻组成：第二显示激励基本单元的输入电阻的一端接第一显示激励基本单元中显示激励器的输出端，第三显示激励基本单元的输入电阻的一端接第二显示激励基本单元的显示激励器的输出端，以后每个显示激励基本单元的输入电阻的一端均接前一个显示激励基本单元的显示激励器的输出端；每个显示激励器的正相端接一个钳位二极管的正极，每个显示激励器的正相端接输入电容与接地电阻到地线，输入电阻的另一端接显示激励器的正相端，每个显示激励器的输出端接一个显示基本单元；

显示单元由多个显示基本单元组成每个显示基本单元由三个共阴级发光管与共阴电阻组成，每个显示激励器的输出端接共阴极发光管的第一阳极，每个共阴极发光管的阴极都接一个共阴电阻到地线；所有共阴极发光管第一阳极相接，第二阳极相接；

互锁单元由几个互锁二极管组成；

寻标指示单元由几个寻标基本单元组成：每个寻标基本单元均由寻标振荡电路、寻标指示、寻标指示的触发二极管组成；

寻标振荡电路由寻振荡器、寻振荡器的振荡电阻、寻振荡器的振荡电容、寻振荡器的正端比较支路组成；

两个显示激励基本单元对应一个寻标基本单元，第二个、第四个……直到最后一个双数的显示激励基本单元的显示激励器的输出端接一个互锁二极管的负极，每个互锁二极管的正极接一个寻振荡器的正相端，

第二个、第四个……直到最后一个双数的显示激励基本单元的显示激励器的输出端接一个寻标指示第二色触发二极管到寻标指示的第二阳极；

寻振荡器的正相端接寻振荡器的下端比较支路，寻振荡器的振荡电阻接在寻振荡器的输出端与负相端之间，寻振荡器的振荡电容接在寻振荡器的负相端与地线之间；

每个寻振荡器的输出端接一个寻标指示第一色触发二极管到寻标指示的第一阳极，每个寻振荡器的输出端接一个语音器；

每个寻标指示的第三色触发二极管都正极与共阴极发光管的第二阳极相连，寻标指示的第三色触发二极管一的负极接寻标指示的第一阳极，寻标指示的第三色触发二极管二的负极接寻标指示的第二阳极；

终结延时单元由终结延时器一、终结延时器二、终结清零二极管、延时电阻一、延时电容一、延时电阻二、延时电容二、终结比较电路组成；

延时电阻一的一端接最后一个显示激励器的输出端，另一端接终结延时器一的正相端，延时电容一接在终结延时器的正相端与地线之间，终结延时器一的输出端接所有共阴极发光管的第二阳极，的输出接延时电阻二到终结延时器二的负相端，延时电容二接在终结延时器二的负相端与地线之间，终结延时器一的负相端与终结延时器二的正相端相连，接终结比较电路，终结延时器二的输出端与所有导向二极管的正极之间接终结清零二极管。

2.根据权利要求1所述的一种三色显示电学演示器，其特征是：寻标指示采用一个共阴极发光管，它的阴极接一个共阴电阻到地线。

3.根据权利要求1所述的一种三色显示电学演示器，其特征是：所有二极管均采用面贴合型二极管。

4.根据权利要求1所述的一种三色显示电学演示器，其特征是：终结延时器、寻振荡器、显示激励器、激励比较放大器、运算放大器、测试源比较放大器、隔离放大器、运放集成开关中的四个集成单元都采用同样型号的集成运放电路。