[实用新型]单片机交流电桥平衡指示器

说明书

该实用新型为实验教学仪器。

通常交流电桥实验使用交流毫伏表或示波器观察交流电桥的非平衡信号，而交流毫伏表一般实验室使用的是指针式的，它所指示的交流电桥非平衡信号的大小是幅值和位相的综合反应，学生在做此实验时，无法从实验中体会到要想使交流电桥达到平衡必须满足两个条件：即幅值和位相同时相等；如果用示波器观察非平衡信号的大小，也只能大小和位相分别观察，且测量精度较低，费用高。在RLC稳态特性实验中，本仪器可作为位相差计进行同频率两信号的位相差测量。通常位相差的测量是利用双综示波器完成的，由于示波器分辨率较低，刻线玻璃的刻度分的不细，一格中的十分之一差别很难分辨，有时只能进行大概估计；况且，荧光屏与刻线玻璃有一定距离，视差的影响也很大，这样用示波器测位相差是很粗糙的，而且调稳图象，仔细的读取数值，计算出位相差等都将花费较多的时间。

为了克服交流毫伏表和示波器以上的不足，提高实验教学效果，设计并制作了该实用新型。

此仪器采用双排数码管，可以同时显示交流电桥非平衡信号的大小和位相，用此仪器做交流电桥实验，学生可以亲自观察到非平衡信号是幅值和位相的综合作用，可以看到桥臂的哪些部分影响非平衡信号的位相，哪些部分影响非平衡信号的幅值。而将此仪器用于RLC稳态特性实验中进行位相差的单独测量，则能迅速、准确地显示位相差的大小，达到一仪两用目的。该仪器具有体积小，成本低，易于操作，测量时间短，精度较高等特点，非常适于普通物理实验教学。

附图1为该仪器电路图。

附图2为交流电桥电路图。

附图3为位相差测量波形图。

该仪器以单片机为核心，全部采用集成电路。单片机是采用MCS－96系列的8098〔1〕，它内部含有A／D系统及可编程高速输入机构HSI，其中A／D系统的转换分辨率为10位，而高速输入单元能够记录下外部事件发生的时间。测量过程是这样的：如附图2，将图中C、D两点分别与附图1中的P、Q两点相连，合上开关K₁和K₂。测量分两过程，其一，交流电桥的非平衡浮地信号经过差分放大器〔8〕后变为放大的对地信号，然后再经过放大器〔7〕〔6〕的两级放大后，经过跟随器〔5〕与8098〔1〕的模拟输入引脚ACH4相连。其二，P、Q两点的正弦信号分别经过比较器〔9〕〔10〕后进入异或门〔11〕的两个输入端，输出信号进入8098〔1〕的HSI.0和HSI.1中。由异或门的功能知道，当两输入信号的电平不相同时，输出为高电平，如图3。此高电平的脉冲宽度即为两输入信号的位相差的时间值。由8098〔1〕的高速输入单元HSI.0和HSI.1测出此高电平的时间值及正弦信号的周期，即可求出两输入信号的位相差。

如附图1，8098〔1〕的P3和P4是8位双向I／O口，漏极开路输出。这些引脚和多路切换的地址／数据总线共用。8098〔1〕外接的程序存储器是2764〔2〕，它是一种8K×8位的EPROM存储器电路，外接的数据存储 器是6264〔3〕，它是一种8K×8位的RAM存储器电路。A₀～A₇是8位低位地址线，A₈～A₁₂是5位高位地址线，D₀～D₇是8位数据线。8255〔4〕是一个通用的并行接口电路，可用编程的方式选择它的逻辑功能，本仪器中利用程序控制使其3个I／O口皆为输出口。B口和C口分别输出双排数码管的段选数据，通过驱动器74LS07〔13〕驱动每段LED。A口输出双排数码管的位选数据，经过缓冲器／驱动器uA75452〔12〕作为位选信号。附图3中的C、D为附图2的交流电桥中C、D点引出的对地信号；E、F为C、D信号经过比较器〔9〕〔10〕后的波形图；G为E、F信号经过异或门〔11〕后的波形图。参见附图1。

当单独进行位相差测量时，打开K₁、K₂。