電子模擬橫波演示器的製作方法
2023-08-09 07:29:11 3
專利名稱：電子模擬橫波演示器的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於一種物理教學所用的演示實驗裝置。
目前物理教學使用的橫波演示器是機械式的。它主要通過搖柄帶動16個同軸的偏心輪轉動，分別使靠在偏心輪上的16根水平杆上下振動，因分布在面板上的各杆端點振動的相位不同，所以可以模擬橫波的形成和傳播過程。整個裝置安裝在一個木箱內，其體積較大，且演示時，必須由教師手搖操作。
本實用新型的目的是提供一種直觀性好、體積小、便於懸掛、使用方便、能自動顯示橫波形成和傳播過程的電子式演示實驗裝置。
本實用新型由以發光二極體為質點位置指示元件的面板及控制這些發光二極體以不同相位順次發光的電子線路組成。演示的波形圖由分布在面板上的以不同相位作簡諧振動的多個質點組成。在它的顯示面板上分布著若干組發光二極體，分別代表彈性媒質中的若干個質點，每組的五個發光二極體表示每個質點在振動過程中的五個位置。當一組的五個發光二極體順次循環點亮時，表示一個質點的振動過程。因各組發光二極體點亮的相位不同，某一瞬時，這若干個質點所處位置的發光二極體同時點亮，即可以表示該時刻的波形圖。控制面板上各組發光二極體以不同相位順次發光的電子線路其主要單元為多諧振蕩器、計數和脈衝分配器、模擬開關。由多諧振蕩器產生的矩形波作為計數和脈衝分配器的時鐘脈衝。計數和脈衝分配器接在多諧振蕩器與發光二極體顯示板之間，它有多個輸出端，由這些輸出端上按時序輸出的脈衝經電流放大後，使顯示板中的各發光二極體順次發光。只要改變多諧振蕩器的振蕩周期，便能改變橫波的周期。為了演示波的形成過程，電路中設置了模擬開關，各開關的控制端受計數和脈衝分配器同一個輸出端的控制。在剛通電時，各模擬開關均斷開當振動傳遞到面板上最右端的質點時，由計數和脈衝分配器的輸出信號使模擬開關閉合，面板上的所有發光二極體都接入電路，演示整個媒質中的各質點都已開始振動。為了適應教師講課的需要，設置了手動按鈕，它可以使波形圖逐幅變化。
本實用新型中，面板上的發光二極體採用高亮度的，整個演示儀器製成厚度小於5cm的板狀裝置。在使用時，可掛於黑板上，既直觀醒目，又便於攜帶。在電路上增加一些控制單元，還能製成遙控型。它的使用功能除作橫波演示外，還可以演示單個質點的簡諧振動過程；數學教學時，可以演示各種正弦型曲線。
以下結合附圖對本實用新型作進一步詳細的敘述。
圖1是顯示面板上發光二極體的分布位置和編號示意圖。
圖2是主控制電路原理圖。
圖3是二極體矩陣和顯示面板上的發光二極體電路原理圖。
圖1是顯示面板上發光二極體的分布位置和編號示意圖。面板上的50個發光二極體分成10組，每組5個，分別代表彈性媒質中的十個(1～10)質點和每個質點在振動過程中的五個位置(a、b、c、d、e)。第1組的五個發光二極體編號分別為1a、1b、1c、1d、1e；第二組的五個發光二極體編號分別為2a、2b、2c、2d、2e……、第十組的五個發光二極體編號分別為10a、10b、10c、10d、10e。每組五個發光二極體按
順次循環發光，表示一個質點的振動過程。因各組發光二極體點亮的相位不同，某一瞬時，這十個質點所處位置的發光二極體同時點亮，即可以表示該時刻的波形圖。
圖2是主控制電路原理圖。其中IC1為時基電路NE555，它與R1、R2、RP、C組成典型的自激多諧振蕩器。振蕩產生的矩形波經三極體VT1反相後，作為計數器IC2的時鐘脈衝。IC2是常用的CMOS數字集成電路「十進位計數／脈衝分配器」CD4017。它的主要功能是將輸入的脈衝按時序分配在其10個(Y0～Y9)輸出端上，且每一瞬時總是只有一個輸出端為高電平，其餘9個均為低電平。本電路將其接成8進位計數器，時鐘脈衝由14腳(CP端)輸入。C3、R6組成通電清零電路，以保證在每次剛接通電源時，總是只有3腳(Y0)為高電平。此時三極體VT2導通，Q0＝「1」。第一個脈衝輸入，IC2的2腳(Y1)變為高電平，VT3導通，Q1＝「1」；第二個脈衝輸入，IC2的4腳(Y2)變為高電平，VT4導通，Q2＝「1」；第3～7個脈衝輸入時，分別使Q3～Q7依次變為高電平。當第8個脈衝輸入時，IC2的9腳(Y8)變為高電平，經二極體VD1加至IC2的15腳(Cr端)，IC2清零，又回復到只有3腳(Y0)為高電平，即只有Q0＝「1」。綜上所述，由IC1輸出的矩形脈衝，經IC2處理後，使Q0～Q7依次變為高電平，其循環順序為
圖3電路中由80個二極體組成開關矩陣。Q0～Q7及「地」接至圖2中對應的點。圖3中的10組(1，2，3，……，10)、每組五個(a、b、c、d、e)發光二極體便是
圖1中分布在面板上的50個發光二極體。Q0～Q7輸出的高電平信號經二極體矩陣選擇後，分別點亮這些發光二極體，即可演示橫波的形成和傳播過程。下面結合
圖1和圖3加以說明。當Q0＝「1」時，能使發光二極體1c、2b、3e、4d、5c、6b、7a、8b、9c、10d同時發光；當Q1＝「1」時，能使1b、2c、3d、4e、5d、6c、7b、8a、9b、10c同時發光；……。各發光二極體點亮的順序如下表。
為了演示橫波的形成過程，控制電路中採用了兩塊「四雙向模擬開關」CD4066(圖2中的IC3、IC4)。在剛通電時，因IC2的9腳(Y8)為低電平，所以三極體VT10截止，繼電器KR處於釋放狀態，IC3，IC4中的8個雙向模擬開關均處於斷開狀態。此時，Q0＝「1」，只能驅動發光二極體1c亮；Q1＝「1」，只能驅動1b、2c同時亮；Q2＝「1」，只能驅動1a、2b、3c同時亮；……；Q7＝「1」，只能驅動1d、2e、3d、4c、5b、6a、7b、8c同時亮。這樣，便能演示橫波的形成過程。當IC2的9腳為高電平時，經二極體VD2使三極體VT10導通，繼電器KR吸合，它的一個常開觸點kr－1閉合，維持VT10導通。同時，另一個常開觸點kr－2閉合，使IC3、IC4中8個模擬開關的控制端(5、6、12、13腳)均加上高電平信號，各模擬開關(圖3中IC3a～IC3d、IC4a～IC4d)均「閉合」。此後，Q0～Q7中無論哪個為高電平，每組發光二極體中必有一個會點亮，即表示媒質中的各質點都已產生振動。前面表中以加「○」的表示形成過程中能點亮的發光二極體。
圖2中的S是「自動」和「手動」控制轉換開關。S閉合時，IC1輸出的矩形脈衝使IC2輸出端的狀態自動循環變化；S斷開後，通過輕觸按鈕AN可進行手動控制，每按一下AN，便有一個正脈衝輸入IC2的14腳，從而改變一次其輸出端的狀態，使波形逐幅變化。
因為IC1組成的振蕩電路的周期T＝0.693(R1＋2RP＋2R2)·C1，通過調節電位器RP，便能改變多諧振蕩器的振蕩周期，從而改變Q0～Q7的循環周期，即可以使演示橫波的周期產生變化。
權利要求1.一種用於物理教學中顯示橫波形成與傳播過程的演示實驗裝置，它有一塊面板，演示的波形圖由分布在面板上的以不同相位作簡諧振動的多個質點組成，本實用新型的特徵在於面板上的每個振動質點由一組循環發光的發光二極體組成；控制面板上各組發光二極體以不同相位順次發光的電子線路包括產生矩形脈衝的多諧振蕩器；接在多諧振蕩器與發光二極體顯示板之間的計數和脈衝分配器，由計數和脈衝分配器各個輸出端上輸出的脈衝順次點亮分布在顯示面板上的各發光二極體；以及受計數和脈衝分配器輸出端控制的模擬開關，當振動傳遞到顯示板最右端後，計數和脈衝分配器的輸出信號使接在發光二極體顯示板電路中的模擬開關閉合，從而使面板上的所有發光二極體都接入電路。
專利摘要本實用新型屬於一種用於物理教學中顯示橫波形成與傳播過程的演示實驗裝置，其面板上的每個振動質點由一組循環發光的發光二極體組成，控制各組發光二極體以不同相位順次發光的電路包括產生矩形脈衝的多諧振蕩器；接在多諧振蕩器與發光二極體面板之間的計數和脈衝分配器，它由各輸出端上輸出的脈衝依次點亮面板上的各發光管；以及受計數和脈衝分配器輸出端控制的模擬開關。它顯示的波形圖能自動變化，也可手控其逐幅變化。它可製成板狀裝置，既直觀醒目，又便於懸掛和攜帶。
文檔編號G09B23/08GK2174756SQ9322043
公開日1994年8月17日 申請日期1993年7月28日 優先權日1993年7月28日
發明者榮俊昌 申請人:榮俊昌