大學物理實驗教學儀器的改進

牛連平，王慶泉

（嘉興學院，浙江 嘉興 314001）

大學物理實驗教學儀器的改進

牛連平，王慶泉

（嘉興學院，浙江 嘉興 314001）

通過儀器電路改進、程序編寫等工作，成功改進了數(shù)字電流表。改進后的電流表具有量程自動切換功能，實現(xiàn)了對原有數(shù)字電流表的量程保護。經實驗測試表明，改進后電流表運行穩(wěn)定，測試結果正確。

數(shù)字電流表；改進；電路

本文改進的物理實驗儀器是數(shù)字電流表，由浙江天煌實業(yè)有限公司生產，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物理實驗室常用儀器。這類儀器相對于指針式電流表，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，如果流過某量程電阻上的電流超過量程允許值后，若不能及時切換高檔量程，其上的電阻就會被燒壞，從而導致此量程檔不能正常運行。學生使用電流表時，缺乏預防處理電流過大問題，盡管授課教師在實驗前反復強調，但量程電阻被燒壞的事件還是經常會發(fā)生。此種儀器使用頻率高，若經常被損壞，會影響實驗教學的順利進行，從而影響教學。

數(shù)字電流表內部的電路板固定在一個狹小的空間，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致電路板的損壞，進而損壞整臺電流表，帶來了更多維護成本。

1 儀器改進

目前，過流保護裝置廣泛應用于電子設備中［2］。本文提出一種量程自動切換系統(tǒng)的設計方法，該系統(tǒng)基于程控增益放大器器件，使用單片機控制其增益，實現(xiàn)量程的自動切換，降低了信道對于測量的誤差。其思路為:設計過流保護控制器，實時采樣電阻支路的電流，如果電路上的電流超過預設值，此量程的電路自動切換到高檔位量程。電流采樣通過I/V轉換，將電流信號變換為電壓信號，送AD轉換器采樣，轉換結果送MCU處理。執(zhí)行機構選用繼電器。系統(tǒng)主要由以下幾部分組成:采樣電路模塊，調理電路模塊，低通濾波模塊，AD轉換模塊，微控制器模塊，執(zhí)行機構模塊等［3］。

數(shù)字電流表內部結構見圖1。

圖1 待改進的數(shù)字電流表及內部結構

本文主要是對圖1所示的電路進行改進，部分電路如圖2-7所示。

圖2 基于單片機的數(shù)字電流表的控制系統(tǒng)框圖

圖4 A/D轉換

圖5 單片機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，改進調試，反復進行實驗測試，寫入電路板。

組裝儀器。改進后的儀器如圖8～9所示。

圖8 改進后的儀器（內部、外殼）

圖9 實驗測試圖

2 實驗結果

改進后測量數(shù)據(jù)見表1。

表1 改進后的電流表實驗測量數(shù)據(jù)表

將改進后的數(shù)字電流表用于“伏安特性”實驗的測試中，測量結果如表1所示，電流表1為改進前可以正常使用的電流表，電流表2為改進后的電流表。實驗過程和結果顯示，改進后的電流表運行穩(wěn)定，當測量值超過某檔量程時，電流表可以自動切換；與原來正常電流表相對比，測量結果吻合。

3 結 論

通過實驗實際測量，以及對實際軟、硬件的測試表明，該系統(tǒng)能準確根據(jù)大小信號調整全程，并對系統(tǒng)及環(huán)境誤差有一定的抗干擾能力，數(shù)字電流表的改進是成功的。改進實現(xiàn)了量程自動保護和切換的功能，減少了實驗儀器的維護成本。

本文更重要的意義在于:引導和啟發(fā)大學生解決實踐中遇到的問題，培養(yǎng)學生利用所學知識解決實際問題的能力；對于大學電子類專業(yè)的學生學習和實踐專業(yè)知識是個很好的課題，通過改進實驗儀器的工作過程，深刻領會電子技術知識、電路設計原理，將理論知識應用于實踐。

［1］ 湯德榮，劉蘇英.一款三位半直流數(shù)字電壓電流表的設計與制作［J］.赤峰學院學報:自然科學版，2014，30（3）:70-71.

［2］ 嚴簫，王新春，岳華，等.用等偏法與Spass研究靈敏電流計的特性［J］.大學物理實驗，2014（2）:65-68.

［3］ 白炳良，周錦榮.基于單片機的開關電源并聯(lián)供電系統(tǒng)的設計［J］.大學物理實驗，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