光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)

朱 正, 孫晶華, 張 楊, 張曉峻, 李慶波, 李婭琳, 蘇麗萍

(哈爾濱工程大學(xué) 理學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150001)

光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)對于光的波粒二象性的認(rèn)識(shí)具有極為重要的意義,它給予量子論以直觀、明確的論證。普朗克常數(shù)與波粒二象性和能量交換量子化的規(guī)律聯(lián)系著,在近代物理學(xué)中有著重要的地位。利用光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)測量普朗克常數(shù),有助于學(xué)生理解光的量子性和更好地認(rèn)識(shí)普朗克常數(shù)。因此,驗(yàn)證光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律及利用光電效應(yīng)測定普朗克常數(shù)的實(shí)驗(yàn)就成為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中一個(gè)非常經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,在大部分大學(xué)的物理實(shí)驗(yàn)課程中都得到了開設(shè)。

1 傳統(tǒng)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀的不足及改進(jìn)

目前的光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置通常存在以下不足：(1)作為光源的高壓汞燈亮度不易調(diào)節(jié),使用壽命有限,價(jià)格貴,預(yù)熱時(shí)間較長,廢棄汞燈還會(huì)對環(huán)境造成嚴(yán)重污染;(2)采用濾光片獲得的單色光單色性差,并且通常只有5種波長的單色光,一方面不能驗(yàn)證并測出光電效應(yīng)存在的頻率閾值,另一方面測定普朗克常數(shù)時(shí),數(shù)據(jù)比較少,影響測量精度;(3)實(shí)驗(yàn)過程中要不斷更換濾色片,一不小心就會(huì)將濾色片摔壞;(4)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)裝置使用計(jì)算機(jī)作為控制端,使得整套實(shí)驗(yàn)裝置比較笨重,占空間較大[1-3]。

為了克服現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置的不足,本文開發(fā)了一種基于嵌入式工控機(jī)的PEC-NPEE型LED光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置采用嵌入式工業(yè)計(jì)算機(jī)作為控制端,使用單色LED作為光源,使用最新的靜電計(jì)級(jí)芯片實(shí)現(xiàn)精確的光電流檢測,通過嵌入式工業(yè)計(jì)算機(jī)可以精確地設(shè)定LED的工作電流,從而可以精確地調(diào)整光強(qiáng)。

2 儀器結(jié)構(gòu)

PEC-NPEE型LED光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,由LED光源、光闌、遮光蓋、光電管、主機(jī)構(gòu)成。主機(jī)后面板的接口見圖2,前面板見圖3,調(diào)零電位器用于光電流調(diào)零,上、下按鍵用于調(diào)節(jié)電壓的大小,左、右按鍵用于移位。

圖1 儀器結(jié)構(gòu)圖

圖2 主機(jī)后面板接口

圖3 主機(jī)前面板圖

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)各模塊參數(shù)如下：

(1) LED光源： 400 nm紫光,460 nm藍(lán)光,520 nm綠光,590 nm黃,603 nm橙光,625 nm紅光6種譜線；

(2) 光闌：光闌孔徑4 mm；

(3) 遮光蓋：LED光源遮光塞和光電管暗箱遮光塞；

(4) 光電管：陽極為鎳圈,光譜范圍340～800 nm,暗電流約10-12A；

(5) PEC-NPEE型LED光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀：電流測量范圍在10-10～10-13A,電壓調(diào)節(jié)范圍-2～40 V, 三位半數(shù)顯。

3 硬件電路

3.1 數(shù)控LED恒流驅(qū)動(dòng)電路

數(shù)控LED恒流驅(qū)動(dòng)電路(見圖4)以PIC24FJ128GA410單片機(jī)為核心,利用單片機(jī)芯片的I/O端口與N溝道MOS管BSS138LT1實(shí)現(xiàn)對不同顏色LED光源的開關(guān)控制,利用單片機(jī)芯片內(nèi)置的10位DAC模塊與運(yùn)算放大器AD8591配合,實(shí)現(xiàn)LED工作電流的精確控制,從而準(zhǔn)確控制LED的光強(qiáng),利用單片機(jī)內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換模塊,采集由LED工作電流轉(zhuǎn)換成的電壓,從而實(shí)現(xiàn)對LED光源工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控[4-7]。不同顏色LED光源的開關(guān)狀態(tài)及LED工作電流都可由上位機(jī)(工控機(jī))通過RS-232串口給單片機(jī)發(fā)送指令來實(shí)現(xiàn)。

圖4 數(shù)控LED恒流驅(qū)動(dòng)電路整體框圖

數(shù)控LED恒流驅(qū)動(dòng)電路主要包括：電源、RS-232接口電路、基于運(yùn)算放大器的AD8591的電壓電流轉(zhuǎn)換電路、LED開關(guān)控制電路、工作電流采集電路和PIC24FJ128GA410單片機(jī)電路。

3.1.1 電源及參考源

數(shù)控LED恒流驅(qū)動(dòng)電路的輸入電源為5 V,該電源為AD8591和LED直接供電,但單片機(jī)等其他芯片的工作電壓為3.3 V,因此選用LM1084ISX-3.3電源芯片提供3.3 V電壓,該電源電路如圖5所示。在5 V輸入電源引腳處并聯(lián)一個(gè)LED小燈、作為電源指示燈,作為后續(xù)調(diào)試時(shí)判斷電壓源是否正常工作的依據(jù)。

圖5 LM1084電源電路圖

工作電流采集電路采用運(yùn)算放大器OP07進(jìn)行信號(hào)調(diào)理,為減小單電源供電時(shí)電壓在0 V附近調(diào)理時(shí)所生產(chǎn)的誤差,對OP07芯片采用雙電源供電,其負(fù)電源使用-3.3 V電壓,使用負(fù)電源轉(zhuǎn)換芯片LTC660將3.3 V電壓轉(zhuǎn)換為-3.3 V電壓。

數(shù)控LED恒流驅(qū)動(dòng)電路使用DAC輸出指定的電壓來精確設(shè)定LED的工作電流,還使用A/D轉(zhuǎn)換模塊采集LED實(shí)際的工作電流,無論DAC還是A/D轉(zhuǎn)換模塊都需要一個(gè)穩(wěn)定的電壓參考。雖然PIC24FJ128GA410單片機(jī)片內(nèi)具有集成的參考源,還是采用了外部的參考源來獲得更好的特性。電壓參考芯片使用REF3020AIDBZT,為DAC和A/D轉(zhuǎn)換模塊提供2.048 V的參考電壓。REF3020AIDBZT有3個(gè)工作引腳,1引腳接入3.3 V電壓,2引腳輸出2.048 V的參考電壓,3引腳為地端,電壓輸入端與地端用濾波電容連接,電路見圖6。

圖6 REF3020參考電壓源電路圖

3.1.2 UART模塊及LED開關(guān)控制電路

單片機(jī)PIC24FJ128GA410片內(nèi)具有多個(gè)UART模塊,選擇1個(gè)UART模塊與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)串口通信,將U1TX作為異步串行發(fā)送數(shù)據(jù)輸出,U1RX作為異步串行數(shù)據(jù)接收輸入。為減小溫度漂移的影響,同時(shí)為減小通信過程的誤碼率,選用了頻率為11.059 2 MHz的外部晶振[8-9]。

LED開關(guān)控制通過連接到MOS管柵極的I/O引腳的電平狀態(tài)來控制,當(dāng)某一I/O引腳為高電平,與之相連的MOS管導(dǎo)通,電流流過相應(yīng)的LED,該LED被點(diǎn)亮；反之,MOS管截止,LED熄滅。電路中選擇了RE0至RE7這8個(gè)引腳作為控制引腳,設(shè)為輸出端口來控制MOS管的開關(guān)狀態(tài)即LED的亮滅。

3.1.3 LED控制電路

LED控制電路是由1個(gè)運(yùn)算放大器AD8591的電壓電流轉(zhuǎn)換電路和8個(gè)LED燈組成的,AD8591用于緩沖來自DAC輸出的電壓信號(hào),同時(shí)將該電壓轉(zhuǎn)為電流為LED提供工作電流。

圖7為LED控制電路原理圖,AD8591芯片的2引腳是芯片工作電壓引腳接模擬地為0 V,3引腳作為ADCOUT輸出電壓的正向輸入端,3引腳與反向輸入端4引腳虛短,通過AD8591后,DAC輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)控制LED光源的工作強(qiáng)度,5引腳是芯片的SHUTDOWN引腳,把它和6引腳V+同時(shí)用5 V電壓拉高,并連接濾波電容,這樣使芯片處于工作狀態(tài),不關(guān)閉。

圖7 LED控制電路原理圖

3.1.4 工作電流采集電路

工作電流采集電路如圖8所示,LED工作電流流經(jīng)采樣電阻轉(zhuǎn)換為電壓,該電壓輸入標(biāo)號(hào)為U4的OP07的+IN引腳,由于+IN引腳與-IN引腳虛短、虛斷,從OUT引腳輸出的電壓值也反饋給了-IN引腳,形成電壓跟隨器。電壓跟隨器起到緩沖、隔離以及提高帶載能力的作用等。從U4的OUT引腳輸出的跟隨電壓值通過一個(gè)標(biāo)號(hào)為U3 OP07運(yùn)算放大電路輸出電壓,此輸出電壓就是芯片采集到的電壓值,其放大倍數(shù)為2倍,放大后電壓被送入單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換模塊,從而得到LED真實(shí)的工作電流。

圖8 工作電流采集電路原理圖

3.2 數(shù)控可調(diào)偏壓電路

光電管偏壓電路采用開環(huán)數(shù)控電壓源的設(shè)計(jì)[8],其中正負(fù)電壓切換通過繼電器控制。使用PIC24FJ128GA310單片機(jī)作為控制模塊,TLC5615作為數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片。使用高壓三極管搭建放大電路,為了消除交流信號(hào)的影響,在三極管輸入端接運(yùn)算放大電路,因而選用運(yùn)算放大器OP07和高壓三極管FZT758、FTZ768等器件搭建放大電路。繼電器選擇使用匯科公司生產(chǎn)的繼電器HK19F-DC5V。運(yùn)算放大器OP07是雙極型運(yùn)算放大器,因而使用正負(fù)12 V直流電壓源供電,放大電路中的三級(jí)管的上拉電壓需要超過40 V,因?yàn)槭褂锰峁┑?8 V直流電壓源。本次設(shè)計(jì)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器,繼電器需要使用5 V電源供電,因而使用DC-DC降壓器件TPS54331,該器件為八引腳封裝,可以根據(jù)該公司提供的實(shí)例電路圖搭建5 V穩(wěn)壓源。單片機(jī)和串口模塊需要3.3 V電壓供電,因?yàn)槭褂玫蛪翰罘€(wěn)壓器件LM1084提供3.3 V電壓。

本次設(shè)計(jì)中需要通過上位機(jī)串口發(fā)送指令,因?yàn)樾枰罱▎纹瑱C(jī)和上位機(jī)的通信模塊。通信協(xié)議采用RS-232通信協(xié)議,因而需要使用電平轉(zhuǎn)換器MAX3232E[9]。數(shù)控可調(diào)偏壓電路整體框圖見圖9。

圖9 數(shù)控可調(diào)偏壓電路整體框圖

3.2.1 穩(wěn)壓電路

R49選用為標(biāo)準(zhǔn)電阻值10 kΩ,要求輸出5 V電壓,根據(jù)公式可以計(jì)算出R47的阻值為1.8 kΩ,電感為6.8 μH, C55和C56選擇2個(gè)47 μF陶瓷輸出電容。使用TPS54331搭建的5 V穩(wěn)壓電路原理圖見圖10。

圖10 基于TPS543315 V電源原理圖

在3.3 V穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)中,使用LM1084-ADJ低穩(wěn)壓差電源芯片作為3.3 V電源芯片,選用5 V電壓源供電,分別在輸入端和輸出端接上濾波電容。

3.2.2 單片機(jī)PIC24FJ128GA310

在單片機(jī)的時(shí)鐘端口外接一個(gè)11.059 2 MHz的有源晶振,并在其3.3 V電源引腳附近加一個(gè)0.1 μF的去耦電容,在晶振的輸出引腳加一個(gè)100 Ω的電阻。使用RS3232E作為通信芯片,因而使用UART協(xié)議。使用RP3和RP5引腳映射單片機(jī)UART模塊的TX和RX引腳。對于SPI通信模塊,使用RP13和RP28引腳映射單片機(jī)SPI模塊的SCLK和SDO引腳,用于傳輸時(shí)鐘信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào),再由RF8引腳提供從機(jī)TLC5615從選擇端的高低電平,從而控制TLC5615數(shù)模轉(zhuǎn)換器的工作狀態(tài)。

3.2.3 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路

數(shù)模轉(zhuǎn)換電路使用TLC5615數(shù)模轉(zhuǎn)換器作為轉(zhuǎn)換芯片。使用PIC單片機(jī)的SPI模塊給TIC5615發(fā)送數(shù)據(jù)。其中DIN、SCLK、CS引腳分別同單片機(jī)的RP13、RP28、RP18連接。VDD引腳接入5 V電壓,REFIN由LM4140提供基準(zhǔn)電壓,DOUT引腳懸空,AGND接到模擬地。為了降低基準(zhǔn)電壓的波紋電壓對基準(zhǔn)電壓的影響基準(zhǔn)電壓引腳需要增加旁路電容。數(shù)模轉(zhuǎn)換電路原理圖見圖11。

圖11 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路原理圖

3.2.4 繼電器電路

繼電器的引腳2和7外接到兩針接插件給光電管供電,其中引腳2規(guī)定為負(fù)載的負(fù)級(jí),引腳7規(guī)定為正極。引腳3和6接入低電壓輸出和模擬地,引腳4和5接到模擬地和和高電壓輸出。由圖12可知,當(dāng)三極管的基極電壓為低電平時(shí)候,三極管不導(dǎo)通,引腳2和7的電壓由引腳3和6提供,輸出的電壓范圍-2 V～0 V；當(dāng)三極管的基極電壓為高電平時(shí),三極管導(dǎo)通,引腳2和7的電壓由引腳4和5提供,輸出電壓的范圍為0～40 V,其中三極管基極的單片機(jī)的I/O提供,通過串口發(fā)送指令控制。

圖12 繼電器電路原理圖

3.2.5 電壓放大電路

上位機(jī)通過串口發(fā)送指令給光電管偏壓電路,光電管偏壓電路根據(jù)指令的電壓字節(jié)將通過TLC5615數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出相應(yīng)電壓,并且根據(jù)指令中的正負(fù)電壓標(biāo)志控制繼電器實(shí)現(xiàn)電壓的極性。數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出的0～2 V電壓經(jīng)過運(yùn)算放大器OP07構(gòu)成的放大器放大至0～40 V,作為正向高電壓輸出；0～2 V電壓經(jīng)過運(yùn)算放大器OP07構(gòu)成的緩沖器輸出0～2 V電壓,該電壓經(jīng)過控制繼電器實(shí)現(xiàn)-2 V～0 V的輸出。限于篇幅,正向高電壓放大電路及負(fù)電壓產(chǎn)生電路省略。

3.3 數(shù)據(jù)采集電路

數(shù)據(jù)采集電路同樣采用PIC24FJ128GA310芯片,并利用單片機(jī)內(nèi)置的帶閾值檢測功能的12位A/D轉(zhuǎn)換器精確地采集光電管輸出信號(hào),同時(shí)利用12位D/A芯片輸出光電管所需的調(diào)零電壓。使用了采用RS-232串行協(xié)議的MAX3232E收發(fā)器來進(jìn)行串口通信[9]。為了適應(yīng)不同的使用環(huán)境,還采用了RS-485串行協(xié)議的SP3485收發(fā)器。采用不同的電源芯片供電,其中TPS54331為系統(tǒng)提供5 V電壓,LTC660芯片為系統(tǒng)提供-5 V電壓,而LM1084ISX-3.3芯片為系統(tǒng)提供3.3 V電壓。使用ADR4520和LM4140芯片分別為A/D和D/A模塊提供參考電壓。數(shù)據(jù)采集電路電路的整體結(jié)構(gòu)如圖13所示。

圖13 數(shù)據(jù)采集電路整體結(jié)構(gòu)圖

硬件主要包括電源模塊、信號(hào)采集模塊、參考源模塊、光電管調(diào)零模塊、PIC單片機(jī)模塊和通信模塊。

3.3.1 電源模塊

根據(jù)本部分電路設(shè)計(jì)各種芯片的工作電壓以及運(yùn)算放大器輸出電壓的范圍,可以確定整個(gè)系統(tǒng)需要的電壓為5 V、-5 V和3.3 V。其中5 V電源既用于產(chǎn)生-5 V電源和3.3 V電源,還為參考源芯片和運(yùn)算放大器供電。選用TPS54331芯片產(chǎn)生5 V電壓。

選用LTC660芯片產(chǎn)生負(fù)電壓為運(yùn)算放大器的供電。該芯片的使用非常方便,只需要連接兩個(gè)外部的電容即可正常工作,圖14為LTC660的電路連接圖。

選用LM1084ISX-3.3芯片產(chǎn)生3.3 V的輸出電壓。

圖14 LTC660電路連接圖

3.3.2 參考源電路模塊

采集電路需要設(shè)計(jì)光電管信號(hào)采集電路和光電管調(diào)零電路。光電管信號(hào)采集電路的核心部分是A/D轉(zhuǎn)換器,光電管調(diào)零電路的核心部分是D/A轉(zhuǎn)換器。因?yàn)槭褂玫搅薃/D和D/A轉(zhuǎn)換器,所以選用外部基準(zhǔn)電壓芯片為轉(zhuǎn)換器提供基準(zhǔn)電壓。

3.3.3 信號(hào)采集電路模塊

前置信號(hào)放大電路使用運(yùn)算放大器AD8639,本設(shè)計(jì)中運(yùn)算放大器AD8639采用正負(fù)5 V雙電源供電,正負(fù)5 V的電源范圍足以保證采集到的光電管信號(hào)不失真。該前置信號(hào)放大電路是由一個(gè)電壓跟隨器和一個(gè)同相比例放大電路組成的。圖15為前置信號(hào)放大電路。

由于采集的光電管信號(hào)是直流信號(hào),因此為了減少電路中高頻噪聲的干擾,在前置信號(hào)放大電路的輸出端還添加了一個(gè)簡單的一階RC低通濾波器。光電管的輸出信號(hào)經(jīng)過前置放大電路后直接連接到單片機(jī)內(nèi)置的12位A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端。A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)首先需要對輸入的模擬電壓取樣,取樣結(jié)束后就進(jìn)入保持階段。在保持階段A/D轉(zhuǎn)換器會(huì)將輸入的模擬量進(jìn)行量化并轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,最后按照一定的格式輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果[10-12]。

圖15 前置信號(hào)放大電路圖

3.3.4 光電管調(diào)零模塊

光電管凋零電路由TLV5616電路、LM4140電路和AD8638電路組成的。TLV5616采用5 V供電。LM4140用作D/A轉(zhuǎn)換芯片的參考源,基準(zhǔn)電壓為1.024 V。圖16為D/A轉(zhuǎn)換芯片TLV5616連接電路。

圖16 TLV5616的連接電路圖

利用單通道運(yùn)算放大器AD8638實(shí)現(xiàn)了非對稱雙極性電壓輸出,最后再經(jīng)過R24和R25組成的分壓網(wǎng)絡(luò),可以得到光電管的調(diào)零電壓。電路見圖17。

圖17 非對稱雙極性電壓輸出電路圖

3.3.5 單片機(jī)PIC24FJ128GA310和通信模塊

控制模塊采用PIC24FJ128GA310芯片,通信模塊使用了采用RS-232串行協(xié)議的MAX3232E收發(fā)器以及RS-485串行協(xié)議的SP3485收發(fā)器[13]。MAX3232E和SP3485的連接電路分別見圖18和圖19。

圖18 MAX3232E電路連接圖

4 新型光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

基于嵌入式工控機(jī)的PEC-NPEE型LED光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中可以開設(shè)以下內(nèi)容：

(1) 測量普朗克常數(shù)。利用實(shí)驗(yàn)儀主機(jī)得到6種不同波長的LED對應(yīng)的截止電壓值,將截止電壓平均值輸入到普朗克常數(shù)處理表格中,自動(dòng)生成用最小二乘法擬合出來的直線及直線方程。對同一種光電陰極來說,截止電壓Us與入射光的頻率ν呈線性關(guān)系,直線的斜率為h/e。由此可見,只要對不同頻率的光測量出截止電壓Us,作出曲線,并求出此曲線的斜率,即可求出普朗克常數(shù)h值。

(2) 測量光電管的伏安特性。在手動(dòng)調(diào)零后,可以觀察到系統(tǒng)自動(dòng)繪制的6種不同波長的LED光源的光電流與加速電壓曲線圖。通過與理論上的光電管伏安特性曲線對比,很容易分析得到影響測量結(jié)果的不利因素,加深對暗電流以及光電流產(chǎn)生原因的理解。

(3) 測量光電流與光強(qiáng)關(guān)系。在手動(dòng)調(diào)零后,通過選擇同種光源不同輸出功率,系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)繪制不同功率下的光電流與加速電壓曲線圖。通過比較分析可以得到飽和光電流的大小與入射光的強(qiáng)度的關(guān)系,進(jìn)一步掌握光電效應(yīng)的有關(guān)規(guī)律。

(4) 測量光電管的光電響應(yīng)特性。系統(tǒng)自動(dòng)繪制出6種不同波長的LED光源的光電流與加速電壓曲線,對得到的伏安特性數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,選出加速電壓為40 V時(shí),6種不同光頻率所對應(yīng)的光電流值。歸一化處理后計(jì)算出光電管對不同光頻率的響應(yīng)系數(shù)。

5 結(jié)語

本文研制的基于嵌入式工控機(jī)的PEC-NPEE型LED光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng),幫助學(xué)生定量地驗(yàn)證現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置不能驗(yàn)證的光電效應(yīng)與強(qiáng)度相關(guān)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律,利用該新型實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虻玫礁_的測量結(jié)果,也能夠加深對光電效應(yīng)的基本規(guī)律和光的量子性的理解,為驗(yàn)證愛因斯坦光電效應(yīng)方程和普朗克常數(shù)的測量奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。