自制低成本数码显示电容电感特性演示器

摘 要 ：介绍了利用数码显示PWM脉冲频率可调模块，产生频率可调的脉冲信号，去控制PWM控制模块，输出方波信号，驱动灯泡、电感、电容三路指示灯发光，从而，显示电容电感对交流电的影响。

关键词 ：数码显示PWM脉冲频率可调模块；PWM控制模块；电容；电感

一、技术背景

1、高二物理(人教版《物理》选修3-2)第五章第三节的内容：电感和电容对交变电流的影响，本节课的知识目标是形成对电感和电容的认识，即对电感“通直流，阻交流”、“通低频，阻高频”、电容“通交流，隔直流”、“通高频，阻低频”的理解，这也是教学的难点。教学演示实验缺少成套设备，演示实验需要搭接器材，费力费时。

2、现有技术中演示交流电路中的感抗和容抗的特性，有的是通过直流电经过换向器转换，制作出脉冲模拟交流电的，其频率变化仍然有限。

3、现有技术有利用逆变器的，逆变器驱动板产生正弦波逆变器驱动信号，推动逆变器功放板产生能够输出功率为20W、电压范围为012V、频率范围为50Hz150Hz连续可调的交流电压源，其交流电压频率只能在低频范围内调节。

二、创新设想

教材中明确指出：“正弦式电流是最简单又最基本的交变电流，电力系统中应用的大多是正弦式电流。在电子技术中也常遇到其他形式的交流，如示波器中的锯齿形扫描电压，电子电路中的矩形脉冲，这些都是交流电。”在电感器和电容器对电流影响的演示实验中，既然要做低频可调正弦波电源比较困难，造价较高，可用脉冲方波代替正弦波完成上述实验。

电路设计：利用数码显示PWM脉冲频率可调模块，产生频率可调的脉冲信号，去控制PWM控制模块，输出方波信号，驱动三路指示灯发光，从而，显示电容电感对交流电的影响。

图1 数码显示电容电感特性演示器原理图

三、主要模块参数

（一）、PWM脉冲频率可调模块

图2 PWM脉冲频率可调模块接线图

工作电压：530V；

频率范围：1150KHz、占空比可调；

信号负载能力：输出电流可在830MA左右；

输出幅度：5V；

频率精度：在每个范围上的精度是2%；

模块有3路设置按键：Set、Up、Down；

（1）、通过短按设置按键Set，可以切换显示四个参数值，FR1:pwm1的频率、bu1:占空比，FR2:pwm2的的频率、bu2:占空比，切换前有对应参数名闪烁提示。

（2）、增加按键Up、减小按键Down改变当前参数值。

（3）、两路PWM各预设3种频率值，在该频率下长按设置按键Set，可以切换下一个设置频率，并且占空比不变。（XXX:范围1Hz999Hz；XX.X:范围0.1KHz99.9KHz；X.X.X.:范围1KHz150KHz，）。

（二）、PWM控制模块

图3 PWM控制模块接线图

PWM控制模块参数及应用：

（1）、工作电压：DC 5V36V；

（2）、触发信号源：数字量高低电平（DC3.3V20V），可以接单片机IO口，PLC接口，直流电源等，可以接PWM信号，信号频率020KHz支持。

（3）、输出能力：直流DC 5V36V，常温下持续电流15A，功率400W，辅助散热条件下，最大电流可达30A。

（4）、应用：输出端可以控制大功率的设备，可以输入PWM，控制电机转速，灯的亮度等。

（三）、电源模块

如原理图所示，电源模块可以自制变压器整流稳压电路，也可以使用5V2A开关稳压模块或5V2A成品开关电源适配器。

四、电路连接与调节

PWM脉冲可调模块530V供电输入正、负极，接电源模块正、负极；PWM1信号输出端，接PWM控制模块信号正极输入端；PWM脉冲可调模块输出GND端，接PWM控制模块信号输入GND端。

其他电路接线按照原理图连接无误，接通电源，通过短按设置按键Set，切换显示FR1参数值闪烁，FR1即pwm1的频率，再按增加按键Up、减小按键Down，改变当前频率值（调整占空比为方波）。三路6.2V/0.5A的小灯泡发出不同的光亮，反应出电容电感对交流电阻碍的特性，同时PWM脉冲频率可调模块能数码显示当前脉冲方波频率，即三路小灯泡的的亮度对应着数码显示的脉冲方波的频率。

图4 数码显示电容电感特性演示器实物图

PWM脉冲可调模块9元，PWM控制模块6元，电感10元，电容0.5元，小灯泡1.5元，电源16元，不计板材导线价格，自制数码显示电容电感特性演示器成本约43元。