Tricky Circuit

反相积分器

让电压随时间积累

积分器随时间积累输入。反馈电容保存累计电荷。初始条件是预测变化所需的起始值,这里输出从 0 V 开始。 Op amp 是 Operational Amplifier,运算放大器:有电源的电路,用来放大两个输入之差。 R 表示电阻,C 表示电容;RC 是两者的乘积,代表称为时间常数的时间尺度。

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实验台

改变电路设置,预测读数,再检查挑战结果。这些是教学模型,每课都会说明模型的假设。

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工作原理

恒定输入,R = 10 kΩ、C = 10 µF,限制 ±10 V。滑块选择时刻,不运行时钟。每次计算从 0 V 开始;忽略偏移和泄漏。

RC = 0.1 s。恒定 Vin 的要求输出为 −Vin × t/RC。t 是秒;100 ms = 0.1 s。负号反转积累方向。

难度
  1. 搭建 · 观察

    通电:输入 1 V、时间 100 ms。得到 −1 V。

    需要提示?

    Vin=1 V; t=100 ms → −1 V

  2. 探索 · 探索

    设输入 2 V、时间 250 ms。得到 −5 V。

    需要提示?

    Vin=2 V; t=250 ms → −5 V

  3. 独立解题 · 解决

    设输入 −2 V、时间 500 ms。达到上限 +10 V。

    需要提示?

    Vin=−2 V; t=500 ms → +10 V

延伸阅读与电路配方

反相积分器

累计总量与最后读数不同。恒定输入也会让输出随时间继续改变。

Vout(t) = Vout(0) − Vin × t/(RC); Vout(0) = 0 V; RC = 0.1 s

1 V 持续 0.1 s 时,t/RC 为一。正输入使反相输出下降。

实用关联

未限幅时,输入或时间翻倍会使变化翻倍。

模型之外

初始电压重要,这里固定为零而不延续之前实验。

值得避开的误区

时间滑块重新从同一起点计算,不继续上次运行。

输入 1 V,时间从 100 ms 到 200 ms。输出…

  1. −0.5 V
  2. −1 V
  3. −2 V
延伸阅读

双倍时间从零积累双倍变化。

小累计量

输入 1 V,持续 100 ms。

输出 −1 V。

反向积累

输入 −2 V,持续 500 ms。

输出 +10 V。

试试其他变化

输入 2 V 时比较 100、200、300 ms,先预测 −2、−4、−6 V。

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