牛連平，王慶泉

（嘉興學(xué)院，浙江 嘉興 314001）

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器的改進(jìn)

牛連平，王慶泉

（嘉興學(xué)院，浙江 嘉興 314001）

通過儀器電路改進(jìn)、程序編寫等工作，成功改進(jìn)了數(shù)字電流表。改進(jìn)后的電流表具有量程自動(dòng)切換功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)原有數(shù)字電流表的量程保護(hù)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，改進(jìn)后電流表運(yùn)行穩(wěn)定，測(cè)試結(jié)果正確。

數(shù)字電流表；改進(jìn)；電路

本文改進(jìn)的物理實(shí)驗(yàn)儀器是數(shù)字電流表，由浙江天煌實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)，具有200 mA、20 mA和2 mA檔位的量程［1］。數(shù)字電流表是目前大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室常用儀器。這類儀器相對(duì)于指針式電流表，讀數(shù)直觀，人為誤差較小。但也存在缺陷:該數(shù)字電流表的AD轉(zhuǎn)換電路上，各量程檔上連接不同阻值的電阻，量程較小的檔，連接的電阻阻值較大。使用電流表時(shí)，如果流過某量程電阻上的電流超過量程允許值后，若不能及時(shí)切換高檔量程，其上的電阻就會(huì)被燒壞，從而導(dǎo)致此量程檔不能正常運(yùn)行。學(xué)生使用電流表時(shí)，缺乏預(yù)防處理電流過大問題，盡管授課教師在實(shí)驗(yàn)前反復(fù)強(qiáng)調(diào)，但量程電阻被燒壞的事件還是經(jīng)常會(huì)發(fā)生。此種儀器使用頻率高，若經(jīng)常被損壞，會(huì)影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)的順利進(jìn)行，從而影響教學(xué)。

數(shù)字電流表內(nèi)部的電路板固定在一個(gè)狹小的空間，固定螺釘較多，維修比較困難。另外，由于數(shù)字電流表中的主要器件是電路板，多次拆卸和焊接電阻可能導(dǎo)致電路板的損壞，進(jìn)而損壞整臺(tái)電流表，帶來了更多維護(hù)成本。

1 儀器改進(jìn)

目前，過流保護(hù)裝置廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備中［2］。本文提出一種量程自動(dòng)切換系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，該系統(tǒng)基于程控增益放大器器件，使用單片機(jī)控制其增益，實(shí)現(xiàn)量程的自動(dòng)切換，降低了信道對(duì)于測(cè)量的誤差。其思路為:設(shè)計(jì)過流保護(hù)控制器，實(shí)時(shí)采樣電阻支路的電流，如果電路上的電流超過預(yù)設(shè)值，此量程的電路自動(dòng)切換到高檔位量程。電流采樣通過I/V轉(zhuǎn)換，將電流信號(hào)變換為電壓信號(hào)，送AD轉(zhuǎn)換器采樣，轉(zhuǎn)換結(jié)果送MCU處理。執(zhí)行機(jī)構(gòu)選用繼電器。系統(tǒng)主要由以下幾部分組成:采樣電路模塊，調(diào)理電路模塊，低通濾波模塊，AD轉(zhuǎn)換模塊，微控制器模塊，執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊等［3］。

數(shù)字電流表內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 待改進(jìn)的數(shù)字電流表及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

本文主要是對(duì)圖1所示的電路進(jìn)行改進(jìn)，部分電路如圖2-7所示。

圖2 基于單片機(jī)的數(shù)字電流表的控制系統(tǒng)框圖

圖4 A/D轉(zhuǎn)換

圖5 單片機(jī)STC89C52

圖6 LED顯示電路

圖7 電路板圖

制備電路板，確定最終所用電路和電路板

焊接電路。所用器件包括:電阻、集成電路、LED數(shù)碼管、集成電路（sst89e516rd2）、集成電路（74ls00）、集成電路（74ls04）、通用線路板、插座（14pin）、插座（28pin）、插座（40pin）等。

編寫程序，改進(jìn)調(diào)試，反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，寫入電路板。

組裝儀器。改進(jìn)后的儀器如圖8～9所示。

圖8 改進(jìn)后的儀器（內(nèi)部、外殼）

圖9 實(shí)驗(yàn)測(cè)試圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

改進(jìn)后測(cè)量數(shù)據(jù)見表1。

表1 改進(jìn)后的電流表實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)表

將改進(jìn)后的數(shù)字電流表用于“伏安特性”實(shí)驗(yàn)的測(cè)試中，測(cè)量結(jié)果如表1所示，電流表1為改進(jìn)前可以正常使用的電流表，電流表2為改進(jìn)后的電流表。實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果顯示，改進(jìn)后的電流表運(yùn)行穩(wěn)定，當(dāng)測(cè)量值超過某檔量程時(shí)，電流表可以自動(dòng)切換；與原來正常電流表相對(duì)比，測(cè)量結(jié)果吻合。

3 結(jié) 論

通過實(shí)驗(yàn)實(shí)際測(cè)量，以及對(duì)實(shí)際軟、硬件的測(cè)試表明，該系統(tǒng)能準(zhǔn)確根據(jù)大小信號(hào)調(diào)整全程，并對(duì)系統(tǒng)及環(huán)境誤差有一定的抗干擾能力，數(shù)字電流表的改進(jìn)是成功的。改進(jìn)實(shí)現(xiàn)了量程自動(dòng)保護(hù)和切換的功能，減少了實(shí)驗(yàn)儀器的維護(hù)成本。

本文更重要的意義在于:引導(dǎo)和啟發(fā)大學(xué)生解決實(shí)踐中遇到的問題，培養(yǎng)學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力；對(duì)于大學(xué)電子類專業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)和實(shí)踐專業(yè)知識(shí)是個(gè)很好的課題，通過改進(jìn)實(shí)驗(yàn)儀器的工作過程，深刻領(lǐng)會(huì)電子技術(shù)知識(shí)、電路設(shè)計(jì)原理，將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐。

［1］ 湯德榮，劉蘇英.一款三位半直流數(shù)字電壓電流表的設(shè)計(jì)與制作［J］.赤峰學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2014，30（3）:70-71.

［2］ 嚴(yán)簫，王新春，岳華，等.用等偏法與Spass研究靈敏電流計(jì)的特性［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2014（2）:65-68.

［3］ 白炳良，周錦榮.基于單片機(jī)的開關(guān)電源并聯(lián)供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2013（6）:58-60.

Improving of College Physics Experiment Teaching Equipment

NIU Lian-ping，WANG Qing-quan
（Jiaxing University，Zhejiang Jiaxing 314001）

By optimizing electric circuit and writing program，the galvanometer has been made better successfully.The improved galvanometer can switch the range automatic when necessary，so it can protect the range from burning itself.Through the testing，machine works well，and experiment result is right.

digital ammeter；improvement；circuit

O4-33

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.01.017

1007-2934（2015）01-0051-03

2014-10-08