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光电型高精度周期测定装置的设计光电型高精度周期测定装置的设计 The design of high precision photoelectric period measurer 南京财经大学 梁勇 Liang Yong 摘要 摘要 设计了光电型高精度周期测定装置 从原理上消除了人为误差 从而可以对多周期信 号进行自动的精确测量 很好地提高了物理实验的精度和效率 从理论上分析了测量误差的 组成并给出了实测结果 关键词 关键词 光电 高精度 周期测定 误差分析 中图分类号 中图分类号 O4 33 文献标识码 文献标识码 A Abstract This paper gives the design of photoelectric high precision period measurer The artificial error is avoided in element and the measurer can measure several period signal automatically and accurately It can improve the precision and efficiency of physics experiment commendably The theory analysis of error and the measure result are given Keywords photoelectricity high precision period measure error analysis 1 引言引言 在大学物理实验中 单摆和三线摆这两个实验都需要进行周期的测量 实验中传统的周 期测量都是人工用秒表计时 单次人为判断误差在 0 1 秒左右 1 是测量误差的主要来源 而且 由于人工测量时需要测量的周期数多 测量时间长 易数错周期个数 为此 本文设计了光电型高精度周期测定装置 利用光电门将周期性机械运动转化成电 信号后 对多个周期进行自动的精确测量 从原理上消除了人为误差 而且 只需测几个周 期 其误差就比人工测量几十个周期的误差小 很好地提高了实验精度和效率 由于采用脉 冲方式驱动红外光电门 仪器具有很强的抗干扰性能 本文先从理论上对误差构成进行了分 析 明确了测量误差的主要来源 对仪器的测量原理 电路组成和工作原理做了介绍 实际 测量结果验证了分析结论 该仪器同样可以用于工业生产和科研 2 理论分析理论分析 用秒表进行测量的误差主要不是秒表自身的误差 而是来源于人为误差 人工测量的计 时起点和终点是人为控制的 受人的观察和反应能力所限 起点和终点几乎不可能是在空间 的同一点上 误差较大 以摆长 1 米的单摆为例对实验误差做一个理论分析 三线摆与之类似 单摆的周期公式 为 g l T 2 由该公式得到重力加速度的公式为 2 2 4 T l g 重力加速度g的误差来源于 摆长l和周期T测量误差传递 其相对误差关系为 Tlg EE T T l l g g E22 其 中 05 0 50 1000 01 05 0 ba ba l l El 一般人工计时在起点和终点各有 0 1 秒的误差 1 而单摆在摆长为 1 米时周期为 2 秒左 右 即使人工测量 50 个周期 误差仍然有 2 0 250 01 02 0 nT T ET 由于在 g E的 公式中 T E还要乘上 2 因此周期测量误差是长度测量误差的 8 倍 是 g E的主要误差来源 所以 降低周期测量的误差是提高实验精度的主要方向 采用电子测量装置 计时起点和终点对应的信号周期中的位置几乎相同 由此引入的误 差几乎可以忽略不计 3 测量原理测量原理 运动物体经过光电门时遮住了光路 光电门会输出一个脉冲 单摆和三线摆在摆动中在 发生第一次遮光后 每发生两次遮光对应着一个周期 因此 遮光次数 n 与周期数 N 的关 系是 n 2 N 1 只要通过计时电路将 n 次遮光对应的时间测量出来就是 N 个周期的值 本 仪器中取 n 9 测量 4 个周期所对应时间 单摆实验中使小球经过光电门时产生遮光就可以了 而在三线摆实验中 由于三线摆本 身没有合适的遮光部件 我们在圆盘底上粘上一个遮光片就可以达到目的了 由于遮光物体运动的周期性 在测量中只要将光电门放在遮光物体的运动路径上即可 而人工测量时 受观测能力的限制 一般只能选择一些特殊点开始计时 比如单摆的最低点 4 电路组成电路组成 周期测定装置分为两部分 光电门和计时电路 光电门将遮光信号转换为电信号 计时 电路根据电信号对被测物体的多个周期进行测量和显示 4 1 光电门光电门 光电门由发射和接收两部分电路组成 发射电路是 555 电路构成振荡频率为 40KHz 的 多谐振荡器 驱动红外发光二极管发出 40KHz 的红外线脉冲 接收电路由光电转换 前置放大和选频输出三部分组成 光敏二极管和电阻将接收到的 红外线脉冲转换为同频率的电信号 电信号送至加上反馈电阻的三级串联的 CMOS 反相器 构成的前置放大器进行放大 信号放大后 输入锁相环集成电路 LM567 构成的选频电路 其 5 6 脚上所接的阻容元 件决定了其本振频率 若输入信号的频率在该频率附近 逻辑输出端 8 脚将由原高电平变为 低电平 输出端加了两级反相器以增强驱动能力 由于周期测量并不要求脉宽精确 用简单 的 R C 滤波器抑制临界时的瞬变信号后 送入计时电路进行计时 发光二极管作为遮光指 示 脉冲方式驱动的光电门具有很强的提高抗干扰性能 可以在日光和灯光下可靠地工作 3 4 2 计时电路计时电路 计时电路如图 2 所示 主要由时基电路 计数器 启动 复位电路以及控制电路组成 10MHz 晶体振荡器提供高精度的基准信号 经四级串联的十进制计数器 74Ls390 进行四次 十分频获得 1KHz 时基信号 12 位二进制计数器 4040 对光电门输入脉冲进行计数 与其相 连的四输入与非门 U7A 检测是否已计满规定的脉冲 D 触发器 U4A 控制门 U5B 决定了光电门输入脉冲可否送到 4040 进行计数 D 触发 器 U4B 控制门 U5C 的开关 U4B 的 Q 端为 1 时 时基信号才能送到 4553 进行计数 图 1 红外光电门 两片三位十进制计数器 4553 串联成六位计数器 4553 以扫描方式轮流输出三位计数值 的 BCD 码 经 4511 译码后驱动数码管 与非门 U12A 在上电和光电脉冲计满时 对 U4A 进行复位 与非门 U7B 在上电 光电 脉冲计满和启动 复位按钮按下时 对 U4B 和 4040 进行复位 与非门 U5D 在上电和启动 复位按钮按下时时 对 4553 进行复位 5 电路工作原理电路工作原理 光电门中的红外发光二极管发出 40KHz 红外脉冲 照在光敏二极管上 光敏二极管将 光信号转换成电信号 放大后送入选频电路 由于选频电路的本振频率也调成 40KHz 其 输出为低电平 当光电门的光路被遮光片或小球挡住时 光敏二极管收不到 40KHz 的光信 号 选频电路的输出就变为高电平 因此 没有物体经过光电门时 光电门输出低电平 一 旦有物体经过光电门 光电门输出一个高电平脉冲 送入计时电路 计时电路在开机时对计数器和 D 触发器上电复位 使两个 D 触发器的 Q 端都为 0 与 非门 U5B 和 U5C 都被封锁 光电输入信号和时基信号都不能通过 一旦启动 复位按钮被按下 D 触发器 U4A 即被置位 与非门 U5B 打开 在按钮按下 期间 反相器 U1D 输出为 0 封锁与非门 U5A 防止光电输入信号在此期间就进入计数器 4040 同时 与非门 U5D 输出 1 对计数器 4553 进行清零 按钮松开瞬间 门 U5A 被打 开 信号送入 4040 一旦 4040 检测到信号中的下降沿即开始计数 4040 的输出最低位 Q1 立即变为 1 对 D 触发器 U4B 置位 从而打开门 U5C 100Hz 的时间基准信号进入 4553 开 始计数 当 4040 计满需要的 9 个脉冲时 对应的二进制码为 1001 由于 Q1 和 Q4 接在与 非门 U7A 上 U7A 输出变为 0 通过与非门 U7B 和 U12A 使 4040 及两个 D 触发器都复位 将门 U5B 和 U5C 关上 阻止光电信号和时基信号继续进入 4553 的计数值也不再变化 由 于 4553 计数值是在光电信号的 9 个脉冲期间输入 4553 的时基信号的个数 而时基信号周期 为 0 001 秒 让第三位数码管后小数点常亮 则数码管显示的是相应的秒数 数码管显示的 数字会一直保持到启动 复位按钮再次被按下时 6 实测数据分析实测数据分析 图 2 计时电路 对同一个单摆 人工测量 50 个周期 t1 用光电型高精度周期测定装置测量 4 个周期 t2 结果如表 1 单位都是秒 表 1 单摆测量数据 n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 t1 100 31 100 46100 01 100 3199 91100 13100 13100 66 100 41 100 09 t2 8 028 8 020 8 026 8 017 8 025 8 024 8 023 8 023 8 029 8 025 经计算 平均相对误差分别为 2 00019 0 1 t E和 04 000032 0 2 t E 可见 采用仪器测量时 仅仅 4 个周期 其精度已超过人工测量 50 个周期的精度 同样对三线摆人工测量 50 个周期 t3 仪器测量 4 个周期 t4 可得 表 2 三线摆测量数据 n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 t3 77 01 77 38 77 05 76 88 76 99 76 87 77 41 77 72 77 41 77 31 t4 6 220 6 202 6 228 6 236 6 231 6 228 6 218 6 208 6 205 6 246 平均相对误差分别为 4 00 0031 3 t E和 2 00019 0 4 t E 仪器测量 4 个周 期的误差同样比人工测量 50 个周期的误差小 人工测量中用的是高精度的电子秒表 但人工判断误差是无法消除的 如采用精度为 0 1 秒的指针秒表 总误差会更大 光电型高精度周期测定装置之所以精确就在于其消除了 人工判断误差 此外还采用了高精度的时基信号 7 结束语结束语 为使电路简洁 本文中的光电型高精度周期测定装置所测量的周期数是固定的 但是 如果需要实现其它周期数的测量也是比较方便的 一种方法是将 4040 的输出端与 4 输入与 非门 U8A 之间用接插线相连接 根据需要测量的周期数将 4 输入与非门的输入端连接到对 应的 4040 输出端上 另一种方法是用多位比较器代替 4 输入与非门 将 4040 的所有输出端 连接到多位比较器上 多位比较器的另外一串输入用编码开关设置成所需要的二进制码 编 码开关可放在仪器面板上以方便改动 光电型高精度周期测定装置由于从原理上消除了人为判断误差而具有精度高 大大缩短 测量时间的优点 提高了实验质量和效率 理论分析和实测结果都表明了仪器的有效性 该 仪器同样可以在工业生产和科研等领域中用于高精度的周期测量 参考文献参考文献 1 蔡永明 王新生 大学物理实验 M 北京 化学工业出版社 2003 2 康华光 电子技术基础 M 北京 高等教育出版社 1988 年 3 苏长赞 红外线与超声波遥控 M 北京 人民邮电出版社 1993 年 4 张端 实用电子电路手册 M 北京 高等教育出版社