对普朗克常量测定仪的改进

1、对普朗克常量测定仪的改进李佳摘要:采用由三端可调稳压器LM317和LM337组成的正负双电源电路，用运算放大器OPA128LM作为电流一电压转换器，电流测量范围可达10-810-14A，并总结了在实际电路设计和制作中，提高仪器精度和稳定性的方法关 键 词:普朗克常量 微电流 光电管 放大电路 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.引言现有的普朗克常量测定仪在实验精度、稳定度、速度、读数等方面比较落后，由于测量微弱电流信号，干扰、温漂等因素对仪器的工作状态影响较大，在试验中要读取大量数据，测量过程较长，造成测量数据误差较大，所以想对普朗克常量测定仪进行改进。微弱信号极易受到周围环境的影响，在电路设计中，充分考虑仪器性能的各种因素，优化电路设计和元器件布局，选用性能优异的电子元件，设

4、计了稳定性好、精度高、操作方便、读数快捷的普朗克常数测定仪。同时对微弱信号的处理总结了实际解决方案。2.仪器设计 仪器由光源、滤色片、光电管工作电源电路、电流电压转换电路及显示电路组成，如图1所示。光源、滤色片、光电管采用原来仪器中的部件，下面讨论其余部分电路设计。2.1光电管工作电源的设计 当一定频率一定强度的光照射到光电管的阴极，从阴极逸出的光电子到达阳极形成电流。为了测量光电管的截止电压，在A和K之间需要加负电压，一般在-30之间；为了测量光电管的伏安特性，在A和K之间需要加由负到正的电压，选取光电管的工作电源为-33V。为了得到从-3+3V连续可调的电压，采用了由三端可调稳压器LM31

5、7和LM337组成的正负双源电路。LM317和LM337的典型线性调整率为0.01%，负载调整率为0.1% 80dB文波抑制比，常用于要求电源实现高精度供电的电路，其内阻小、稳定度高、噪音低、输出文波小，实际使用效果比LM78及LM79系列稳压模块好。由于光电管的电阻很大，它作为电源的负载，负载电流极小，可采用线性电位器Rp来实现电压的连续调节，。输出电压送至4.5为A/D转换器ICL7135的信号输入端，进行模数转换后驱动LED数码管进行显示。面板表头基本量程为±2.0000V，采用分压电阻R5和R6将量程扩展为20.000V，显示精度为0.001V.2.2微电流放大电路的设计光电

6、管在受到一定频率光照时，会产生光电流，通常在PanA级范围内，所以将光电流转换为电流-电压转换器，其原理图如图2所示。对于理想运算放大而言V。=-IsRf=-IfRf实际上电阻Rf的增大要受到运算器的输入阻抗的限制。考虑偏置电流Ib对被侧电流的分流，则V。=-（Is-Ib）Rf，如果Ib>Is, 则Is无法测量。要精确测量pA级的电流，运算放大器的偏置电流不应大于pA级，因此pA级的电流测量用运算放大器均用OPA128LM，其主要性能如下：1) 输入偏置电流最大为75Fa;2) 失调电压最大为500uV3) 失调电压漂移最大为5uV/;4) 输入阻抗为1Pf/1013欧姆，2pF/101

7、5。电压显示器采用3½为A/D转换器ICL7017进行模-数转换后驱动LED数码管进行显示，面板表头量程为±2.0000V，分辨率为1mV。若Rf=1000M欧姆，则电流计的电流最小分辨率为1Pa.下面是总结出的提高仪器精度与稳定性的方法：1) 应该选择一级电路2) 在高阻抗系统中运算器放同相输入端不接平衡电阻，而是直接接地。3) 尽量降低运放电源电压，以减小运放工作电流，降低工作温度。4) 反馈电阻采用由玻璃绝缘的高精度、低温漂电阻。5) 在印刷电路板的布局布线时，尽量减小电源走线的有效包围面积，应选择其表面和体内漏电流6) 信号线采用短而硬的屏蔽线，微电流放大电路与其他电路分离，用金属屏蔽壳屏蔽。3.结束语光电管工作电源稳定度小于0.05%，读数精度为0.001V。仪器分辨率的最小电流为10-14A，电流测量范围10-810-14A，分6档十进变换。测量的普朗克常量百分误差小于3%，与原来仪器相比，电路简单，电流灵敏度高、方便、读书快捷、提高了实验效率与精度。参考文献n 基础物理实验，北京大学出版社n 吴泳