對普朗克常量測定儀的改進

1、對普朗克常量測定儀的改進李佳摘要:采用由三端可調穩(wěn)壓器LM317和LM337組成的正負雙電源電路，用運算放大器OPA128LM作為電流一電壓轉換器，電流測量范圍可達10-810-14A，并總結了在實際電路設計和制作中，提高儀器精度和穩(wěn)定性的方法關 鍵 詞:普朗克常量 微電流 光電管 放大電路 Improvement on apparatus of Planck constant measurement LijiaAbstract:The apparatus circuit of measuring Planck constant is improved. The apparatus adopt

2、s positive-negative double power supply circuit which consists of three-terminal adjustable regulator LM317 and LM337, and uses operational amplifier OPA128LM as current-voltage transformer, the range of measuring current is 10-8 to 10-14 A. The method of increasing apparatus precision and stability

3、 in designing and making is summarizedKey words:Planck constant; weak current; photoelectric tube; amplification circuit1.引言現(xiàn)有的普朗克常量測定儀在實驗精度、穩(wěn)定度、速度、讀數(shù)等方面比較落后，由于測量微弱電流信號，干擾、溫漂等因素對儀器的工作狀態(tài)影響較大，在試驗中要讀取大量數(shù)據(jù)，測量過程較長，造成測量數(shù)據(jù)誤差較大，所以想對普朗克常量測定儀進行改進。微弱信號極易受到周圍環(huán)境的影響，在電路設計中，充分考慮儀器性能的各種因素，優(yōu)化電路設計和元器件布局，選用性能優(yōu)異的電子元件，設

4、計了穩(wěn)定性好、精度高、操作方便、讀數(shù)快捷的普朗克常數(shù)測定儀。同時對微弱信號的處理總結了實際解決方案。2.儀器設計 儀器由光源、濾色片、光電管工作電源電路、電流電壓轉換電路及顯示電路組成，如圖1所示。光源、濾色片、光電管采用原來儀器中的部件，下面討論其余部分電路設計。2.1光電管工作電源的設計 當一定頻率一定強度的光照射到光電管的陰極，從陰極逸出的光電子到達陽極形成電流。為了測量光電管的截止電壓，在A和K之間需要加負電壓，一般在-30之間；為了測量光電管的伏安特性，在A和K之間需要加由負到正的電壓，選取光電管的工作電源為-33V。為了得到從-3+3V連續(xù)可調的電壓，采用了由三端可調穩(wěn)壓器LM31

5、7和LM337組成的正負雙源電路。LM317和LM337的典型線性調整率為0.01%，負載調整率為0.1% 80dB文波抑制比，常用于要求電源實現(xiàn)高精度供電的電路，其內阻小、穩(wěn)定度高、噪音低、輸出文波小，實際使用效果比LM78及LM79系列穩(wěn)壓模塊好。由于光電管的電阻很大，它作為電源的負載，負載電流極小，可采用線性電位器Rp來實現(xiàn)電壓的連續(xù)調節(jié)，。輸出電壓送至4.5為A/D轉換器ICL7135的信號輸入端，進行模數(shù)轉換后驅動LED數(shù)碼管進行顯示。面板表頭基本量程為±2.0000V，采用分壓電阻R5和R6將量程擴展為20.000V，顯示精度為0.001V.2.2微電流放大電路的設計光電

6、管在受到一定頻率光照時，會產(chǎn)生光電流，通常在PanA級范圍內，所以將光電流轉換為電流-電壓轉換器，其原理圖如圖2所示。對于理想運算放大而言V。=-IsRf=-IfRf實際上電阻Rf的增大要受到運算器的輸入阻抗的限制。考慮偏置電流Ib對被側電流的分流，則V。=-（Is-Ib）Rf，如果Ib>Is, 則Is無法測量。要精確測量pA級的電流，運算放大器的偏置電流不應大于pA級，因此pA級的電流測量用運算放大器均用OPA128LM，其主要性能如下：1) 輸入偏置電流最大為75Fa;2) 失調電壓最大為500uV3) 失調電壓漂移最大為5uV/;4) 輸入阻抗為1Pf/1013歐姆，2pF/101

7、5。電壓顯示器采用3½為A/D轉換器ICL7017進行模-數(shù)轉換后驅動LED數(shù)碼管進行顯示，面板表頭量程為±2.0000V，分辨率為1mV。若Rf=1000M歐姆，則電流計的電流最小分辨率為1Pa.下面是總結出的提高儀器精度與穩(wěn)定性的方法：1) 應該選擇一級電路2) 在高阻抗系統(tǒng)中運算器放同相輸入端不接平衡電阻，而是直接接地。3) 盡量降低運放電源電壓，以減小運放工作電流，降低工作溫度。4) 反饋電阻采用由玻璃絕緣的高精度、低溫漂電阻。5) 在印刷電路板的布局布線時，盡量減小電源走線的有效包圍面積，應選擇其表面和體內漏電流6) 信號線采用短而硬的屏蔽線，微電流放大電路與其他電路分離，用金屬屏蔽殼屏蔽。3.結束語光電管工作電源穩(wěn)定度小于0.05%，讀數(shù)精度為0.001V。儀器分辨率的最小電流為10-14A，電流測量范圍10-810-14A，分6檔十進變換。測量的普朗克常量百分誤差小于3%，與原來儀器相比，電路簡單，電流靈敏度高、方便、讀書快捷、提高了實驗效率與精度。參考文獻n 基礎物理實驗，北京大學出版社n 吳泳