Thiết kế chế tạo bộ thu thập và xử lý tín hiệu bằng máy tính dùng cho thí nghiệm vật lý trung học phổ thông

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỖ VĂN HÁCH THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ THU THẬP VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU BẰNG MÁY TÍNH DÙNG CHO THÍ NGHIỆM VẬT LÝ TRUNG HỌC PHỔ THÔNG Chuyên ngành: VẬT LÝ KỸ THUẬT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT LÝ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS VŨ XUÂN HIỀN Hà Nội – Năm 2019 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU MỞ ĐẦU 1.1 Lý chọn đề tài 1.2 Mục đích nghiên cứu luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu 1.2.1 Mục đích nghiên cứu: 1.2.2 Đối tượng nghiên cứu 1.2.3 Phạm vi nghiên cứu 1.3 Tóm tắt đọng luận điểm đóng góp tác giả 1.4 Phương pháp nghiên cứu 1.4.1 Nghiên cứu lý thuyết 1.4.2 Nghiên cứu thực nghiệm 1.5 Đóng góp kiến nghị tác giả sử dụng kết nghiên cứu luận văn CHƯƠNG I: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO 10 I.1 Khảo sát số thiết bị đo điện áp thông dụng 10 I.2 Các thiết bị đo điện áp kết nối máy tính 16 I.2.1 Chuyển đổi ADC 16 I.2.2 Đồng hồ đo vạn hỗ trợ kết nối máy tính 20 I.2.3 Kết luận 22 I.3 Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị đo điện áp, tín hiệu cảm biến kết nối máy tính 22 I.3.1 Sơ đồ khối 22 I.3.2 Khối xử lý 23 I.3.3 Module chuyển đổi ADC ADS1115 24 I.4 Lập trình cho thiết bị 24 I.4.1 Lập trình cho arduino 24 I.4.2 Lập trình ghép nối thiết bị với máy tính 26 I.5 Lắp ráp thiết bị 30 I.5.1 Thiết kế vỏ hộp 30 I.5.2 Lắp ráp thiết bị 31 Chương II: KIỂM ĐỊNH VÀ XÂY DỰNG MỘT SỐ BÀI THÍ NGHIỆM SỬ DỤNG THIẾT BỊ ĐÃ CHẾ TẠO 33 II.1 Kiểm định thiết bị đo điện áp chế tạo 33 II.1.1 Kiểm định sở so sánh kết đo điện áp mạch điện với thiết bị chuẩn công nhận 33 II.1.2 Kiểm định sở so sánh điện áp mạch gồm điện trở mắc nối tiếp 35 II.2 Xây dựng số thí nghiệm sử dụng thiết bị đo điện áp chế tạo 37 II.2.1 Bài thí nghiệm 1: Khảo sát dòng điện chạy qua điốt, đo điện áp tới hạn điốt: 37 II.2.1 Mục đích 37 II.2.1.2 Cơ sở lý thuyết 37 II.2.1.3 Dụng cụ thí nghiệm: 39 II.2.1.4 Sơ đồ thí nghiệm 40 II.2.1.5 Trình tự thí nghiệm 41 II.2.1.6 Đo điện áp tới hạn điốt: 41 II.2.2 Bài thí nghiệm 2: Khảo sát tích điện phóng điện tụ điện - Đo điện dung tụ điện 46 II.2.2.1 Mục đích 46 II.2.2.2.Cơ sở lý thuyết 46 II.2.2.3 Dụng cụ thí nghiệm: 48 II.2.2.4 Sơ đồ thí nghiệm 49 II.2.2.5 Trình tự thí nghiệm 49 III.2.2.6 Bảng liệu đồ thị 50 III.2.2.7 Đo điện dung tụ điện 56 KẾT LUẬN 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới Thầy giáo TS Vũ Xuân Hiền, người thầy tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện tốt cho tơi suốt q trình hồn thành luận văn Cho gửi lời cảm ơn đến hai quan: Trường Trung học phổ thông chuyên Nguyễn Trãi tỉnh Hải Dương Viện Vật lý Kỹ thuật trường Đại học Bách khoa Hà Nội tạo điều kiện cho học tập nghiên cứu khoa học Sự dạy dỗ nhiệt tình, tâm huyết Thầy, Cô giáo Viện Vật lý Kỹ thuật suốt năm qua khắc sâu tâm khảm Tôi xin cảm ơn bạn bè đồng nghiệp u q tơi quan tâm, khích lệ, động viên để tơi hồn thành luận văn tốt nghiệp Tơi cịn nhận quan tâm giúp đỡ gia đình Gia đình dành điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành luận văn tốt nghiệp Đây nguồn cổ vũ động viên lớn giúp đỡ cho tơi q trình học tập nghiên cứu khoa học Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành quan tâm giúp đỡ Xin chân thành cảm ơn! LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng hướng dẫn khoa học TS Vũ Xuân Hiền Các kết nghiên cứu viết trung thực chưa công bố cơng trình Tác giả luận văn Đỗ Văn Hách DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình Hình ảnh vơn kế tương tự (a) vơn kế kỹ thuật số (b) 10 Hình Cấu tạo vơn kế tương tự [1] 10 Hình Đồ thị thời gian điện áp 11 Hình Đồ thị quan hệ phụ thuộc U1 vào U2 11 Hình Biên đổi dịng điện I thành điện áp tương đương 12 Hình Cấu tạo bàn ống tia điện tử 12 Hình Nguyên lý làm lệch (lái) tia điện tử theo chiều dọc 13 Hình Nguyên lý làm lệch (lái) tia điện tử theo chiều ngang 13 Hình Cấu trúc khối dao động kí 14 Hình 10 Đồ thị điện áp dịch đứng (lên) 14 Hình 11 Đồ thị điện áp dịch ngang (phải) 14 Hình 12 Đồ thị điện áp cưa dịch ngang dạng(phải) 15 Hình 13 Quan hệ chu kỳ tín hiệu Y chu kỳ điện áp cưa 15 Hình 14 Đồ thị thể lượng tử hóa tín hiệu đầu vào tương tự (Vin) thành tín hiệu số (Vout) [4] 16 Hình 15 Đồng hồ đo vạn hỗ trợ kết nối máy tính (a), phần mềm kết nối METRAwin10 (b) 20 Hình 16 Thiết bị đo điện áp Keithley 2002 có kết nối máy tính 21 Hình 17 Sơ đồ khối ghép nối môdule, linh kiện mạch xử lý tín hiệu 22 Hình 18 Mạch Adruino UNO R3 [7] 23 Hình 19 Vi điều khiển Arduino UNO 24 Hình 20 Module ADS1115 24 Hình 21 Giao diện phần mềm Arduino IDE 25 Hình 22 Giao diện phần mềm Delphi 10 27 Hình 23 Giao diện dự án tạo Delphi 10 28 Hình 24 Cửa sổ mã lệnh cho unit1 29 Hình 25 Giao diện phần mềm 30 Hình 26 Mơ hình chiều mặt thiết bị 31 Hình 27 Thiết bị hoàn thiện 31 Hình 28 Sơ đồ đo kiểm định 33 Hình 29 Sơ đồ mạch đo thực tế nguồn điện 33 Hình 30 Đồng hồ đo điện đa KYORITSU mode 100 33 Hình 31 Sơ đồ đo kiểm định sử dụng mạch mắc hai điện trở nối tiếp 35 Hình 32 Sơ đồ đo mắc thực tế 35 Hình 33 Đường đặc trưng Vôn-Ampe 38 Hình 34 Đường đặc trưng Vơn-Ampe điốt Zenner 38 Hình 35 Đường đặc trưng Vôn-Ampe Điôt thông thường mắc nối tiếp với điện trở 39 Hình 36 Đường đặc trưng Vơn-Ampe Điôt thông thường mắc song song với điện trở Vôn-Ampe Điôt thông thường mắc song song với điện trở 39 Hình 37 Hình ảnh linh kiện thí nghiệm 40 Hình 38 Điốt mắc nối tiếp điện trở 40 Hình 39 Điốt mắc song song với điện trở 40 Hình 40 Mối liên hệ điện áp điôt điên áp điện trở 10 Ω mắc nối tiếp 42 Hình 41 Mối liên hệ điện áp điốt điện áp điện trở 680 Ω mắc nối tiếp với điện trở 10 Ω 44 Hình 42 Mối liên hệ điện áp điốt điện áp điện trở 680 Ω mắc nối tiếp điện trở 10 Ω 46 Hình 43 Sơ đồ nạp điện cho tụ 47 Hình 44 Đồ thị điện tích tụ theo thời gian trình nạp điện 47 Hình 45 Đồ thị dịng điện chạy qua tụ theo thời gian trình nạp điện 48 Hình 46 Hình ảnh linh kiện thí nghiệm 48 Hình 47 Sơ đồ thí nghiệm 49 Hình 48 Điện áp tụ trình nạp điện theo thời gian 51 Hình 49 Điện áp điện trở theo thời gian trình nạp điện 53 Hình 50 Điện áp tụ theo thời gian q trình phóng điện 54 Hình 51 Điện áp điện trở theo thời gian q trình phóng điện 56 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng Thông số kỹ thuật đồng hồ Metrahit E series 21 Bảng Thông số kỹ thuật Keithley 2002 21 Bảng Thông số Arduino UNO R3 23 Bảng Chức đoạn code chương trình nạp 25 Bảng Kết đo đồng hồ đo điện đa KYORITSU mode 100 34 Bảng Kết đo thiết bị chế tạo 34 Bảng Kết đo đồng thời điện áp hai điện trở 36 Bảng Bảng liệu điện trở 10 Ω mắc nối tiếp điốt 41 Bảng Bảng số liệu học sinh tự phân tích 43 Bảng 10 Bảng liệu đồ thị dùng R = 680 ôm mắc nối tiếp với điốt 43 Bảng 11 Bảng liệu đồ thị dùng R1 = 680 Ω mắc song song với điốt nối tiếp R2=10 Ω 45 Bảng 12 Bảng liệu điện áp tụ trình nạp điện cho tụ 50 Bảng 13 Bảng liệu điện áp điện trở theo thời gian trình nạp điện cho tụ 51 Bảng 14 Bảng liệu điện áp tụ theo thời gian q trình phóng điện 53 Bảng 15 Bảng liệu điện áp điện trở theo thời gian q trình phóng điện 55 Bảng 16 Bảng liệu cho học sinh tự xử lí 56 MỞ ĐẦU 1.1 Lý chọn đề tài Thời gian gần đây, Bộ Giáo dục Đào tạo liên tục có đổi phương pháp dạy học Nhằm mục đích khắc phục phương pháp truyền thụ chiều Rèn luyện cho học sinh thói quen, nếp sống tư sáng tạo người học Muốn làm nhiệm vụ cần phải rèn cho học sinh phương pháp học tập để phát triển tư nhận thức rèn luyện kỹ vận dụng kiến thức học vào sống Với môn Vật lý, muốn làm điều cần phải có nhiều yếu tố yếu tố việc xây dựng sử dụng thí nghiệm tiết dạy Vật lý đóng vai trị vơ quan trọng Trong q trình giảng dạy tiết thực hành nói chung tiết có sử dụng dụng cụ thực hành phần “ĐIỆN” nói riêng, học sinh cịn nhiều lúng túng, nhiều em chưa biết cách tiến hành thí nghiệm nào; Chưa biết vận dụng kiến thức học vào việc thực hành để thu thập kết Với tính chất phương tiện dạy học, thí nghiệm vật lý giữ vị trí đặc biệt quan trọng việc hoàn thành dạy học vật lý Trong vai trò Giáo viên dạy học thực nghiệm, tác giả nhận thấy: - Các thiết bị thí nghiệm Vật lý phịng học mơn vừa thiếu, vừa có độ xác khơng cao Đặc biệt nhiều đồng hồ đo điện đa cho độ xác - Chưa có thiết bị đo đồng thời cường độ dòng điện điện áp mà đặt tốc độ lấy mẫu cỡ ms - Hiện chưa có thiết bị vừa đo liệu vừa vẽ đồ thị song song trình đo - Các thiết bị đo nước ngồi có độ xác cao, mẫu mã đẹp giá thành đắt Xét vị trí thí nghiệm Vật lý dạy học Vật lý, lựa chọn đề tài: “Thiết kế chế tạo thu thập xử lý tín hiệu máy tính dùng cho thí nghiệm vật lý trung học phổ thơng” 1.2 Mục đích nghiên cứu luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu 1.2.1 Mục đích nghiên cứu: - Thiết kế, chế tạo thiết bị đo điện áp cường độ dịng điện cách xác với sai số nhỏ độ phân giải cao - Thiết bị đo hai kênh điện áp lưỡng cực “liên tục” theo thời gian - Thiết bị vừa đo liệu vừa vẽ đồ thị máy tính - Thiết bị đo cho phép người dùng đặt tốc độ đo 1.2.2 Đối tượng nghiên cứu - Mạch chuyển đổi tín hiệu tương tự sang kỹ thuật số (ADC) - Mạch Arduino R3 phần mềm lập trình máy tính Delphi 1.2.3 Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu số thiết bị đo điện áp - Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị đo điện áp - Nghiên cứu sử dụng thiết bị đo điện áp chế tạo hai thí nghiệm liên quan đến điốt tụ điện 1.3 Tóm tắt đọng luận điểm đóng góp tác giả Tác giả thiết kế chế tạo thành cơng thu thập tín hiệu xử lý tín hiệu máy tính Đây thiết bị sản phẩm tương tự sản xuất nước Kết nghiên cứu cho thấy thiết bị cho kết thực nghiệm xác, có ứng dụng cao việc giảng dạy trường phổ thông Giá thành thiết bị vừa phải, không cao sản phẩm nước 1.4 Phương pháp nghiên cứu 1.4.1 Nghiên cứu lý thuyết - Nghiên cứu cách đo điện áp thông qua mạch điện tử dùng phần mềm Ardruino - Nghiên cứu thực nghiệm áp dụng thiết bị trường THPT 1.4.2 Nghiên cứu thực nghiệm - Thiết kế, chế tạo lắp ráp thiết bị đo điện áp có ghép nối máy tính qua cổng USB - Thống kê xử lý số liệu thực nghiệm đo từ thiết bị 1.5 Đóng góp kiến nghị tác giả sử dụng kết nghiên cứu luận văn Tác giả nhận thấy sản phẩm có giá thành hợp lý, dễ sản xuất đại trà, áp dụng rộng rãi phịng thí nghiệm trường THPT toàn quốc MODE 01 (X:Vab; Y:Vcd) 2,200 2,100 2,000 1,900 1,800 1,700 1,600 1,500 Voltage C-D (mV) 1,400 1,300 1,200 1,100 1,000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 100 200 300 400 500 600 Voltage A-B (m V) 700 800 900 1,000 1,100 Hình 42 Mối liên hệ điện áp điốt điện áp điện trở 680 Ω mắc nối tiếp điện trở 10 Ω Nhận xét 3: Từ bảng số liệu hình ảnh cho ta thấy mắc kết hợp điện trở vừa song song vừa nối tiếp với điốt đồ thị gần giống với đường đặc trưng Vơn_ Ampe điện trở hồn tồn phù hợp với lý thuyết II.2.2 Bài thí nghiệm 2: Khảo sát tích điện phóng điện tụ điện- Đo điện dung tụ điện II.2.2.1 Mục đích Khảo sát tích điện phóng điện tụ điện Đo điện dung tụ điện II.2.2.2.Cơ sở lý thuyết Xét mạch chiều RC hình vẽ: Trong q trình nạp điện cho tụ, chiều dịng điện hình vẽ Ta có: uAB = uAM + uMB với: uAB = E – i.r = E (giả thiết r = 0), uAM = i.R 46 i R A M C + B Hình 43 Sơ đồ nạp điện cho tụ uMB = +q dq C dt →E=R ;i=+ dq dt + q C (vì i hướng q) Nên E = i.R + ⇔ dq dt Đặt (q – EC) = Z ∫ dz Z = ∫− RC E q R RC = − → dz dt = dq dt ⇒ → dz dt dq dt C = − ( q − EC) R = − dt ⇒ lnZ = −lnA = − q RC RC Z⇒ dz Z = − RC dt t −t LnZ t =− ⇒ Z = A eRC A RC −t Vậy q = E.C+ A eRC −t Tại t =o q= nên A = -EC từ suy q= EC(1-eRC ); i = dq dt ⇒ i= Từ biểu thức ta suy đồ thị q i theo thời gian: Hình 44 Đồ thị điện tích tụ theo thời gian trình nạp điện 47 E R −t eRC i E/R O t Hình 45 Đồ thị dòng điện chạy qua tụ theo thời gian trình nạp điện Khi t = T q tăng e lần, ta có: q(t+T) q(t) = e ⇒ T = RC Chứng minh cách tương tự phóng điện điện tích tụ giảm e lần sau thời gian T II.2.2.3 Dụng cụ thí nghiệm: - Bộ thu thập xử lý tín hiệu máy tính - Nguồn chiều có điện áp 3V, 6V, 9V, 12 V - 01 tụ điện cần đo giá trị điện dung C - 01 điện trở biết giá trị điện trở - Khóa K, mạch điện, dây nối cần thiết Hình 46 Hình ảnh linh kiện thí nghiệm 48 II.2.2.4 Sơ đồ thí nghiệm B A C K + - Hình 47 Sơ đồ thí nghiệm II.2.2.5 Trình tự thí nghiệm a Khảo sát tích điện tụ điện - Mắc sơ đồ mạch điện hình 47 - Mắc hai cổng A-B thu thập xử lý tín hiệu máy tính với chốt A, B hình - Mắc hai cổng C-D thu thập xử lý tín hiệu máy tính với chốt B, C hình - Chọn chế độ đo U-t đo điện áp tụ điện áp điện trở R theo thời gian - Chọn tốc độ lấy mẫu - Bật Start để bắt đầu đo - Lưu liệu đồ thị b Khảo sát phóng điện tụ điện - Mắc sơ đồ mạch điện hình 47 - Mắc hai cổng A-B thu thập xử lý tín hiệu máy tính với chốt A, B hình - Chọn chế độ đo U-t - Chọn tốc đọ lấy mẫu - Sau tích điện ta rút đầu dây nối với nguồn nối chúng với - Bật Start để bắt đầu đo - Lưu liệu đồ thị 49 III.2.2.6 Bảng liệu đồ thị a Bảng liệu điện áp tụ trình nạp điện cho tụ đồ thị Bảng 12 Bảng liệu điện áp tụ trình nạp điện cho tụ Thời gian Điện áp Thời Điện áp Thời gian Điện áp (ms) tụ (mV) gian (ms) tụ (mV) (ms) tụ (mV) 1742.25 3023 3440.86 6047 2998.15 104 2617.68 3127 3472.34 6152 2997.67 208 3017.81 3231 3467.73 6256 2978.67 312 3196.31 3336 3418.55 6361 2918.65 416 3328.96 3440 3429.30 6465 2893.23 520 3415.83 3545 3465.90 6570 2888.11 624 3441.25 3649 3464.51 6674 2863.33 729 3408.03 3754 3419.56 6778 2802.01 833 3421.98 3858 3430.47 6882 2772.10 938 3463.27 3962 3466.91 6986 2761.26 1042 3466.38 4066 3472.35 7090 2754.72 1146 3421.27 4170 3425.08 7194 2743.11 1250 3414.72 4274 3406.97 7299 2787.93 1354 3458.14 4378 3449.58 7403 2879.52 1458 3477.69 4483 3470.22 7508 2939.10 1562 3446.87 4587 3433.67 7612 2940.39 1667 3420.68 4692 3410.33 7716 2985.29 1771 3455.68 4796 3395.76 7820 3063.14 1876 3477.78 4900 3394.38 7924 3117.19 1980 3447.29 5004 3353.84 8029 3110.52 2084 3414.89 5108 3294.95 8133 3120.04 2188 3441.73 5213 3264.289 8238 3185.64 2292 3473.89 5317 3255.42 8342 3232.13 2397 3459.44 5422 3221.36 8447 3207.56 50 MODE 01 (X:TIME; Y:Vab) 4,000 3,800 3,600 3,400 3,200 3,000 2,800 Voltage A-B (mV) 2,600 2,400 2,200 2,000 1,800 1,600 1,400 1,200 1,000 800 600 400 200 622,000 623,000 624,000 625,000 626,000 627,000 Measure Time (ms) 628,000 629,000 630,000 631,000 Hình 48 Điện áp tụ trình nạp điện theo thời gian Nhận xét 4: Từ bảng số liệu đặc biệt đồ thị cho ta thấy đường đặc tuyến điện áp tụ biến thiên theo thời gian hoàn toàn phù hợp với lý thuyết Đây sở để học sinh nhận thấy khơng có khác biệt nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm b Bảng liệu điện áp điện trở theo thời gian trình nạp điện đồ thị Bảng 13 Bảng liệu điện áp điện trở theo thời gian trình nạp điện cho tụ Thời gian Điện áp Thời gian Điện áp Thời Điện áp (ms) R (mV) (ms) R (mV) gian R (ms) (mV) -2.25 3233 589.27 6361 211.09 104 -5.25 3337 574.29 6465 199.01 208 -2.06 3441 524.61 6569 212.52 313 2035.21 3545 492.18 6673 223.56 417 2927.01 3649 485.81 6779 198.03 521 3171.91 3753 480.65 6883 185.45 627 3133.86 3858 443.29 6988 197.16 51 731 2991.55 3963 414.11 7091 207.80 834 2827.02 4066 417.80 7196 178.24 938 2610.60 4171 411.21 7301 177.80 1043 2404.71 4276 370.51 7406 182.65 1146 2222.26 4381 351.01 7509 196.13 1250 2068.69 4485 358.69 7613 176.25 1356 1897.69 4588 354.09 7717 161.91 1459 1745.53 4693 322.82 7821 176.20 1564 1627.92 4796 303.35 7926 192.16 1669 1521.49 4900 311.89 8029 171.64 1774 1390.84 5004 319.91 8134 160.54 1876 1283.88 5109 291.86 8238 172.98 1980 1208.94 5214 272.22 8343 184.27 2084 1142.22 5319 277.38 8446 168.07 2188 1056.26 5423 282.41 8551 156.69 2293 975.60 5526 255.39 8656 172.94 2397 926.92 5631 237.01 8760 184.62 2502 887.77 5734 251.72 8864 161.40 2606 817.48 5839 260.29 8968 149.60 2711 761.88 5943 234.86 9073 178.02 2814 731.76 6049 220.45 9178 180.88 2919 705.81 6153 233.32 9282 151.01 3024 651.59 6258 239.56 9386 144.18 3128 608.17 9490 161.40 52 Voltage C-D (mV) MODE 02 (X:TIME; Y:Vcd) 3,100 3,000 2,900 2,800 2,700 2,600 2,500 2,400 2,300 2,200 2,100 2,000 1,900 1,800 1,700 1,600 1,500 1,400 1,300 1,200 1,100 1,000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 Measure Time (ms) 7,000 8,000 9,000 10,000 Hình 49 Điện áp điện trở theo thời gian trình nạp điện Nhận xét 5: - Bảng số liệu đồ thị cho ta biết giảm điện áp điện trở theo thời gian tương đương với giảm cường độ dòng điện mạch theo thời gian - Hình dạng đồ thị lại lần khẳng định phép đo hoàn toàn phù hợp với lý thuyết c Bảng liệu điện áp tụ theo thời gian q trình phóng điện đồ thị Bảng 14 Bảng liệu điện áp tụ theo thời gian q trình phóng điện Thời gian Điện áp Thời gian Điện áp Thời Điện áp (ms) C (mV) (ms) C (mV) gian C (mV) (ms) 2190 532.09 5006 33.49 104 2720.76 2294 473.14 5110 36.62 208 2850.16 2399 415.77 5215 36.31 313 2798.51 2503 401.08 5319 21.71 417 2700.04 2608 363.75 5424 29.04 522 2505.39 2712 344.72 5528 31.11 626 2202.38 2816 316.73 5632 18.18 731 2018.72 2920 313.89 5736 29.62 835 1894.26 3024 284.07 5840 29.90 939 1726.29 3129 252.38 5945 29.95 53 1043 1553.22 3233 213.09 6049 32.60 1147 1448.24 3338 201.89 6154 18.17 1251 1366.02 3442 182.22 6258 20.90 1355 1242.32 3547 160.39 6363 22.91 1460 1096.18 3651 133.25 6467 31.33 1564 969.79 3755 130.94 6571 14.82 1669 910.68 3859 114.03 6675 15.75 1773 819.84 3963 102.29 6779 18.94 1877 721.82 4067 81.99 6883 16.22 1981 630.81 4171 75.87 6987 21.98 2085 593.91 4276 69.99 7092 23.46 2190 532.09 4380 68.65 7196 23.91 2294 473.14 4485 49.44 7301 18.99 2399 415.72 4589 50.67 7405 24.40 2503 401.08 4693 47.46 7509 26.45 2608 363.75 4797 42.48 7613 26.25 2712 344.72 4901 33.42 7717 19.69 MODE 01 (X:TIME; Y:Vab) 2,800 2,700 2,600 2,500 2,400 2,300 2,200 2,100 2,000 1,900 Voltage A-B (mV) 1,800 1,700 1,600 1,500 1,400 1,300 1,200 1,100 1,000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 500 1,000 1,500 2,000 2,500 3,000 3,500 4,000 4,500 Measure Time (ms) 5,000 5,500 6,000 6,500 7,000 7,500 Hình 50 Điện áp tụ theo thời gian q trình phóng điện Nhận xét 6: - Bảng số liệu đồ thị cho thấy điện áp tụ giảm q trình phóng điện tương đương với điện tích tụ giảm theo thời gian 54 - Đồ thị cho thấy điện áp giảm theo hàm mũ ( Điều hồn tồn u cầu học sinh chứng minh dựa vào bảng số liệu sử dụng truy hồi cơng thức thức phương pháp bình phương tối thiểu ) hoàn toàn phù hợp với sở lý thuyết đưa d Bảng liệu điện áp điện trở theo thời gian q trình phóng điện đồ thị Bảng 15 Bảng liệu điện áp điện trở theo thời gian q trình phóng điện Thời gian Điện áp Thời gian Điện áp Thời Điện áp (ms) R (mV) (ms) R (mV) gian R (mV) (ms) 9.28 2817 183.18 5530 10.50 105 1231.35 2922 155.43 5634 27.84 208 2150.36 3026 129.65 5740 25.82 313 2472.05 3130 113.57 5843 22.19 417 2298.49 3235 109.19 5946 9.50 522 2012.87 3339 92.37 6050 12.43 627 1989.96 3443 82.47 6155 15.59 731 1874.64 3548 70.11 6259 16.79 835 1612.32 3652 67.96 6364 12.89 940 1349.62 3757 60.13 6468 1.85 1044 1303.50 3860 50.88 6573 14.99 1148 1209.56 3965 44.56 6676 16.12 1252 1047.93 4068 45.34 6781 12.18 1357 858.37 4174 39.07 6884 -0.18 1461 835.50 4277 47.66 6990 24.84 1566 769.31 4383 40.33 7093 23.39 1670 669.93 4486 37.60 7199 16.10 1774 541.21 4592 30.70 7302 26.89 1878 528.14 4695 35.22 7408 30.88 1982 483.91 4800 20.42 7511 25.84 2086 431.80 4903 25.02 7616 15.83 2190 351.55 5008 22.63 7719 29.66 55 2296 331.77 5112 17.31 7824 15.86 2400 306.32 5217 27.40 7928 19.36 2505 269.22 5321 26.26 8033 14.18 2608 218.98 5426 19.13 7613 26.25 2713 201.74 4901 33.42 7717 19.69 MODE 02 (X:TIME; Y:Vcd) 2,400 2,300 2,200 2,100 2,000 1,900 1,800 1,700 Voltage C-D (mV) 1,600 1,500 1,400 1,300 1,200 1,100 1,000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 500 1,000 1,500 2,000 2,500 3,000 3,500 4,000 4,500 Measure Time (ms) 5,000 5,500 6,000 6,500 7,000 7,500 8,000 Hình 51 Điện áp điện trở theo thời gian q trình phóng điện Nhận xét 7: Điện áp điện trở giảm theo hàm mũ theo thời gian tương đương với cường độ dòng điện chạy qua mạch q trình phóng điện giảm theo hàm mũ theo thời gian lại lần khẳng định sở lý thuyết thực nghiệm hoàn toàn đắn III.2.2.7 Đo điện dung tụ điện Dựa vào bảng số liệu giáo viên yêu cầu học sinh thu thập số liệu để đưa vào bảng đây, từ yêu cầu học sinh sử lý số liệu để đo điện dung tụ điện Tiến hành thí nghiệm ghi số liệu thí nghiệm lần đo vào bảng sau: Bảng 16 Bảng liệu cho học sinh tự xử lí Lần đo t1 (s) t2 (s) T= t2- t1 (s) 56 C= T R ΔC 10 Giá trị trung bình Trong t1, t2 thời điểm điện áp tụ đạt giá trị UC1 UC2 với UC2 = e UC1 ̅̅̅̅ Viết kết đo UC = 𝐂̅ ± ∆𝐂 57 KẾT LUẬN Căn vào mục đích, nhiệm vụ nghiên cứu kết trình nghiên cứu đề tài “Thiết kế chế tạo thu thập xử lý tín hiệu máy tính dùng cho thí nghiệm vật lý trung học phổ thơng” tơi đạt kết sau đây: - Tác giả thiết kế chế tạo thành công thu thập tín hiệu xử lý tín hiệu máy tính Kết nghiên cứu cho thấy thiết bị cho kết thực nghiệm xác, có ứng dụng cao việc giảng dạy trường phổ thông Sử dụng thiết bị để giải thực nghiệm vô hiệu - Tác giả tiến hành kiểm định sản phẩm nhận thấy sản phẩm cho kết đo có độ xác cao đáng tin cậy - Hai đo “Điện áp tới hạn điốt” “Đo điện dung tụ điện” sở đánh giá học sinh trình thực nghiệm với sản phẩm Từ thí nghiệm đưa áp dụng vào trình giảng dạy, tác giả nhận thấy học sinh hứng thú với giảng, tin tưởng vào đắn lý thuyết khoa học, hứng thú say mê làm thí nghiệm đặc biệt viết báo cáo thực nghiệm cẩn thận, chu - Các linh kiện thiết bị có giá thành rẻ, dễ sản xuất đại trà, áp dụng rộng rãi phịng thí nghiệm trường THPT toàn quốc 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] J Markoff, “Andrew Kay, Pioneer in Computing, Dies at 95,” Obituary, Sep 2014 [2] N Kularatna and Institution of Electrical Engineers., Digital and analogue instrumentation : testing and measurement Institution of Electrical Engineers, 2003 [3] W Kester and inc Analog Devices, Data conversion handbook Elsevier, 2005 [4] “Know all about Analog to Digital ADC Converters.” [Online] Available: https://www.elprocus.com/analog-to-digital-adc-converter/ [Accessed: 18-May2019] [5] “METRAHIT E SERIES.” [Online] Available: https://www.gossenmetrawatt.com/english/produkte/metrahiteseries.htm [Accessed: 18-May-2019] [6] “Keithley 2002 Series: 8½-Digit Multimeter with Scanning | Tektronix.” [Online] Available: https://www.tek.com/tektronix-and-keithley-digital- multimeter/keithley-2002-series-8½-digit-multimeter-scanning [Accessed: 18May-2019] [7] “Arduino UNO R3 gì? | Cộng đồng Arduino Việt Nam.” [Online] Available: http://arduino.vn/bai-viet/42-arduino-uno-r3-la-gi [Accessed: 18-May-2019] [8] “ADS1115 ADC 16 bit high precision Arduino Tutorial.” [Online] Available: http://www.electronoobs.com/eng_arduino_tut83.php [Accessed: 18-May- 2019] [9] “Updated: Arduino announces FPGA board, ATmega4809 in Uno Wi-Fi mk2, cloud-based IDE and IoT hardware.” [Online] Available: https://www.electronicsweekly.com/news/products/bus-systems-sbcs/arduinoannounced-fpga-board-new-atmega-uno-wi-fi-2018-05/ [Accessed: 18-May2019] [10] J Purdum, Beginning C for Arduino Berkeley, CA: Apress, 2015 [11] J R Castro, Building a home security system with Arduino : design, build, and maintain a home security system with Arduino Uno 2015 [12] M Banzi and M Shiloh, Getting started with Arduino 2014 [13] J Barrow, H Gelderblom, and L Miller, Introducing Delphi programming : 59 theory through practice Oxford University Press, 2002 [14] D Kruglinski, S Wingo, G Shepherd, and D Kruglinski, Programming Microsoft Visual C++ Microsoft Press, 1998 [15] R H Shih, Learning Autodesk Inventor 2015 [16] “Create and Remove OLE Links in Inventor Files | Cadalyst.” [Online] Available: https://www.cadalyst.com/cad/inventor/create-and-remove-ole-linksinventor-files-35497 [Accessed: 18-May-2019] 60 ... giá thành đắt Xét vị trí thí nghiệm Vật lý dạy học Vật lý, tơi lựa chọn đề tài: ? ?Thiết kế chế tạo thu thập xử lý tín hiệu máy tính dùng cho thí nghiệm vật lý trung học phổ thơng” 1.2 Mục đích... tác giả Tác giả thiết kế chế tạo thành cơng thu thập tín hiệu xử lý tín hiệu máy tính Đây thiết bị sản phẩm tương tự sản xuất nước Kết nghiên cứu cho thấy thiết bị cho kết thực nghiệm xác, có... điện hình 47 - Mắc hai cổng A-B thu thập xử lý tín hiệu máy tính với chốt A, B hình - Mắc hai cổng C-D thu thập xử lý tín hiệu máy tính với chốt B, C hình - Chọn chế độ đo U-t đo điện áp tụ điện