對(duì)普朗克常量測(cè)定儀的改進(jìn)

1、對(duì)普朗克常量測(cè)定儀的改進(jìn)李佳摘要:采用由三端可調(diào)穩(wěn)壓器LM317和LM337組成的正負(fù)雙電源電路，用運(yùn)算放大器OPA128LM作為電流一電壓轉(zhuǎn)換器，電流測(cè)量范圍可達(dá)10-810-14A，并總結(jié)了在實(shí)際電路設(shè)計(jì)和制作中，提高儀器精度和穩(wěn)定性的方法關(guān) 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(cè)定儀在實(shí)驗(yàn)精度、穩(wěn)定度、速度、讀數(shù)等方面比較落后，由于測(cè)量微弱電流信號(hào)，干擾、溫漂等因素對(duì)儀器的工作狀態(tài)影響較大，在試驗(yàn)中要讀取大量數(shù)據(jù)，測(cè)量過程較長(zhǎng)，造成測(cè)量數(shù)據(jù)誤差較大，所以想對(duì)普朗克常量測(cè)定儀進(jìn)行改進(jìn)。微弱信號(hào)極易受到周圍環(huán)境的影響，在電路設(shè)計(jì)中，充分考慮儀器性能的各種因素，優(yōu)化電路設(shè)計(jì)和元器件布局，選用性能優(yōu)異的電子元件，設(shè)

4、計(jì)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(cè)定儀。同時(shí)對(duì)微弱信號(hào)的處理總結(jié)了實(shí)際解決方案。2.儀器設(shè)計(jì) 儀器由光源、濾色片、光電管工作電源電路、電流電壓轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)。2.1光電管工作電源的設(shè)計(jì) 當(dāng)一定頻率一定強(qiáng)度的光照射到光電管的陰極，從陰極逸出的光電子到達(dá)陽(yáng)極形成電流。為了測(cè)量光電管的截止電壓，在A和K之間需要加負(fù)電壓，一般在-30之間；為了測(cè)量光電管的伏安特性，在A和K之間需要加由負(fù)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(diào)的電壓，采用了由三端可調(diào)穩(wěn)壓器LM31

5、7和LM337組成的正負(fù)雙源電路。LM317和LM337的典型線性調(diào)整率為0.01%，負(fù)載調(diào)整率為0.1% 80dB文波抑制比，常用于要求電源實(shí)現(xiàn)高精度供電的電路，其內(nèi)阻小、穩(wěn)定度高、噪音低、輸出文波小，實(shí)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(fù)載，負(fù)載電流極小，可采用線性電位器Rp來實(shí)現(xiàn)電壓的連續(xù)調(diào)節(jié)，。輸出電壓送至4.5為A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135的信號(hào)輸入端，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管進(jìn)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(kuò)展為20.000V，顯示精度為0.001V.2.2微電流放大電路的設(shè)計(jì)光電

6、管在受到一定頻率光照時(shí)，會(huì)產(chǎn)生光電流，通常在PanA級(jí)范圍內(nèi)，所以將光電流轉(zhuǎn)換為電流-電壓轉(zhuǎn)換器，其原理圖如圖2所示。對(duì)于理想運(yùn)算放大而言V。=-IsRf=-IfRf實(shí)際上電阻Rf的增大要受到運(yùn)算器的輸入阻抗的限制?？紤]偏置電流Ib對(duì)被側(cè)電流的分流，則V。=-（Is-Ib）Rf，如果Ib>Is, 則Is無法測(cè)量。要精確測(cè)量pA級(jí)的電流，運(yùn)算放大器的偏置電流不應(yīng)大于pA級(jí)，因此pA級(jí)的電流測(cè)量用運(yùn)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(diào)電壓最大為500uV3) 失調(diào)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(zhuǎn)換器ICL7017進(jìn)行模-數(shù)轉(zhuǎn)換后驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管進(jìn)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(jì)的電流最小分辨率為1Pa.下面是總結(jié)出的提高儀器精度與穩(wěn)定性的方法：1) 應(yīng)該選擇一級(jí)電路2) 在高阻抗系統(tǒng)中運(yùn)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(yùn)放電源電壓，以減小運(yùn)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(shí)，盡量減小電源走線的有效包圍面積，應(yīng)選擇其表面和體內(nèi)漏電流6) 信號(hào)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(jié)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(cè)量范圍10-810-14A，分6檔十進(jìn)變換。測(cè)量的普朗克常量百分誤差小于3%，與原來儀器相比，電路簡(jiǎn)單，電流靈敏度高、方便、讀書快捷、提高了實(shí)驗(yàn)效率與精度。參考文獻(xiàn)n 基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)，北京大學(xué)出版社n 吳泳