大学物理实验教学仪器的改进

牛连平，王庆泉

（嘉兴学院，浙江 嘉兴 314001）

大学物理实验教学仪器的改进

牛连平，王庆泉

（嘉兴学院，浙江 嘉兴 314001）

通过仪器电路改进、程序编写等工作，成功改进了数字电流表。改进后的电流表具有量程自动切换功能，实现了对原有数字电流表的量程保护。经实验测试表明，改进后电流表运行稳定，测试结果正确。

数字电流表；改进；电路

本文改进的物理实验仪器是数字电流表，由浙江天煌实业有限公司生产，具有200 mA、20 mA和2 mA档位的量程［1］。数字电流表是目前大学物理实验室常用仪器。这类仪器相对于指针式电流表，读数直观，人为误差较小。但也存在缺陷:该数字电流表的AD转换电路上，各量程档上连接不同阻值的电阻，量程较小的档，连接的电阻阻值较大。使用电流表时，如果流过某量程电阻上的电流超过量程允许值后，若不能及时切换高档量程，其上的电阻就会被烧坏，从而导致此量程档不能正常运行。学生使用电流表时，缺乏预防处理电流过大问题，尽管授课教师在实验前反复强调，但量程电阻被烧坏的事件还是经常会发生。此种仪器使用频率高，若经常被损坏，会影响实验教学的顺利进行，从而影响教学。

数字电流表内部的电路板固定在一个狭小的空间，固定螺钉较多，维修比较困难。另外，由于数字电流表中的主要器件是电路板，多次拆卸和焊接电阻可能导致电路板的损坏，进而损坏整台电流表，带来了更多维护成本。

1 仪器改进

目前，过流保护装置广泛应用于电子设备中［2］。本文提出一种量程自动切换系统的设计方法，该系统基于程控增益放大器器件，使用单片机控制其增益，实现量程的自动切换，降低了信道对于测量的误差。其思路为:设计过流保护控制器，实时采样电阻支路的电流，如果电路上的电流超过预设值，此量程的电路自动切换到高档位量程。电流采样通过I/V转换，将电流信号变换为电压信号，送AD转换器采样，转换结果送MCU处理。执行机构选用继电器。系统主要由以下几部分组成:采样电路模块，调理电路模块，低通滤波模块，AD转换模块，微控制器模块，执行机构模块等［3］。

数字电流表内部结构见图1。

图1 待改进的数字电流表及内部结构

本文主要是对图1所示的电路进行改进，部分电路如图2-7所示。

图2 基于单片机的数字电流表的控制系统框图

图4 A/D转换

图5 单片机STC89C52

图6 LED显示电路

图7 电路板图

制备电路板，确定最终所用电路和电路板

焊接电路。所用器件包括:电阻、集成电路、LED数码管、集成电路（sst89e516rd2）、集成电路（74ls00）、集成电路（74ls04）、通用线路板、插座（14pin）、插座（28pin）、插座（40pin）等。

编写程序，改进调试，反复进行实验测试，写入电路板。

组装仪器。改进后的仪器如图8～9所示。

图8 改进后的仪器（内部、外壳）

图9 实验测试图

2 实验结果

改进后测量数据见表1。

表1 改进后的电流表实验测量数据表

将改进后的数字电流表用于“伏安特性”实验的测试中，测量结果如表1所示，电流表1为改进前可以正常使用的电流表，电流表2为改进后的电流表。实验过程和结果显示，改进后的电流表运行稳定，当测量值超过某档量程时，电流表可以自动切换；与原来正常电流表相对比，测量结果吻合。

3 结 论

通过实验实际测量，以及对实际软、硬件的测试表明，该系统能准确根据大小信号调整全程，并对系统及环境误差有一定的抗干扰能力，数字电流表的改进是成功的。改进实现了量程自动保护和切换的功能，减少了实验仪器的维护成本。

本文更重要的意义在于:引导和启发大学生解决实践中遇到的问题，培养学生利用所学知识解决实际问题的能力；对于大学电子类专业的学生学习和实践专业知识是个很好的课题，通过改进实验仪器的工作过程，深刻领会电子技术知识、电路设计原理，将理论知识应用于实践。

［1］ 汤德荣，刘苏英.一款三位半直流数字电压电流表的设计与制作［J］.赤峰学院学报:自然科学版，2014，30（3）:70-71.

［2］ 严箫，王新春，岳华，等.用等偏法与Spass研究灵敏电流计的特性［J］.大学物理实验，2014（2）:65-68.

［3］ 白炳良，周锦荣.基于单片机的开关电源并联供电系统的设计［J］.大学物理实验，2013（6）:58-60.

Improving of College Physics Experiment Teaching Equipment

NIU Lian-ping，WANG Qing-quan
（Jiaxing University，Zhejiang Jiaxing 314001）

By optimizing electric circuit and writing program，the galvanometer has been made better successfully.The improved galvanometer can switch the range automatic when necessary，so it can protect the range from burning itself.Through the testing，machine works well，and experiment result is right.

digital ammeter；improvement；circuit

O4-33

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.01.017

1007-2934（2015）01-0051-03

2014-10-08