CN108766148A - 程控电位差计实验仪 - Google Patents

Abstract

程控电位差计实验仪，包括：单片机；与所述单片机相连的电压测量芯片；与所述单片机相连的校准电位器；与所述单片机相连的调零电位器；与所述单片机相连的D/A转换器，所述D/A转换器的另一端与检流计相连；与所述单片机相连的波段开关；为所述单片机供电的电源转换模块。本发明利用单片机、数字波段开关等器件组成数字化的程控电位差计实验仪，可以将实际电压值和状态量值进行大小比较，是虚拟仪器与实物仪器的一种结合，并且所有操作调节均可用数字量控制，抗干扰能力强，可以测量负电压，在实际教学应用过程中具有可靠性高、运行稳定的优点，体现了电位差计的补偿法原理，改善了物理实验的教学效果。

Description

程控电位差计实验仪

技术领域

本发明涉及实验仪器，特别涉及一种基于补偿法的电位差计实验仪。

背景技术

电位差计是利用补偿原理可以精确测量电势差的常用仪器。由于电位差计是采用补偿原理，不从被测对象中取用电流，不会改变被测对象原来的状态，具有测量结果稳定可靠、精度高的特点，被广泛应用于高精度测量中，因此是大学物理实验教学中的重点学习内容。

图1为传统的基于补偿法的电位差计的电路原理框图，在实验操作中，通过改变电阻丝上r1和r2两点的位置，从而改变r1与r2之间的电阻丝的电压降Er，当Er与标准电压或待测电压相等时，检流计回路中没有电流，指针指向零刻度。电位差计实验中，实验者需要通过改变r1和r2的位置，进行电压补偿。现有的电位差计一般采用滑动变阻器来实现r1、r2两点位置的调节。长期使用后，滑动变阻器的滑动触头会出现磨损，导致触头与电阻丝的接触不良，甚至发生断路，影响实验的操作体验和教学效果。而且传统的电位差计均是采用模拟量控制，容易受到外界电源波动和人体静电的干扰，会出现测量错误，重复性差，数据可信度低，同时由于是基于补偿法原理制作的仪器，还存在无法测量负电压的不足。

虽然目前也有基于单片机的数字式电位差计，但是这些数字式电位差计也仅利用单片机进行测量电压并数字式显示，不能提现补偿法测量的基本思路，不具有教学效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种数字化的、便于操作的程控电位差计实验仪。

为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：

程控电位差计实验仪，包括：单片机；与所述单片机相连的电压测量芯片；与所述单片机相连的校准电位器；与所述单片机相连的调零电位器；与所述单片机相连的D/A转换器，所述D/A转换器的另一端与检流计相连；与所述单片机相连的波段开关；为前述电气元件供电的电源转换模块。

进一步的，所述波段开关包括表示不同分度值的第一波段开关、第二波段开关、第三波段开关及第四波段开关，所述第一波段开关与所述单片机相连，所述第一波段开关与所述第二波段开关、第三波段开关及第四波段开关以级联的方式连接。

进一步的，所述单片机的定时使能引脚和时钟输出引脚分别与所述电压测量芯片相连，单片机的一个模拟数字转换引脚与所述校准电位器相连，另一个模拟数字转换引脚与所述调零电位器相连，单片机的3个输入/输出引脚与所述D/A转换器与相连，另3个输入/输出引脚与波段开关相连。

进一步的，所述电源转换模块包括将AC220V转换为DC5V的变压器以及将DC15V转换为-5V的电压转换芯片。

进一步的，所述电压测量芯片采用型号为TLC7135的四位半电压测量芯片，所述四位半电压测量芯片的输入锁定管脚与电位差计面板上的输入锁定按钮相连。

进一步的，所述单片机的一输入输出引脚与一发光二极管相连。

进一步的，所述校准电位器和调零电位器为三端电位器，三端电位器的一个固定引出端接系统电源，一个固定引出端接地，中间滑动端与单片机的模拟数字转换引脚相连。

进一步的，所述波段开关为10档波段开关，所述波段开关与2个并行转串行的移位寄存器采用级联的方式连接。

进一步的，所述D/A转换器的型号为TLC5615，具有10位采样精度，所述D/A转换器的DIN、CLK、CS引脚分别与单片机的输入/输出引脚相连。

由以上技术方案可知，本发明利用单片机、数字波段开关等器件组成数字化的程控电位差计实验仪，电压测量芯片首先对待测电压进行测量并转换成数字量发送给单片机，单片机读取测量电压的数字量，同时读取校准/调零电位器及各波段开关的状态进行测量计算，将波段开关的状态量值与实际电压测量值进行比较，直至两个物理量相等，充分体现了电位差计的补偿法原理，实现了虚拟仪器与实物仪器的结合，改善了物理实验的教学效果；而且本发明的所有操作调节均可用数字量控制，抗干扰能力强，还可以测量负电压，在实际教学应用过程中具有可靠性高、运行稳定的优点。

附图说明

图1为传统电位差计的电路原理框图；

图2为本发明实施例的电路框图；

图3为本发明实施例的仪器面板图。

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地说明。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的附图会不依一般比例做局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。需要说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、清晰地辅助说明本发明实施例的目的。

参照图2和图3，本实施例的电位差计实验仪包括单片机1、电压测量芯片2、检流计3、校准电位器4、调零电位器5、D/A转换器6、第一波段开关7、第二波段开关8、第三波段开关9、第四波段开关10以及为前述电气元件供电的电源转换模块11。电源转换模块11包括将AC220转换为直流5V的变压器以及将直流5V转换为-5V的电压转换芯片(型号MC7660)，使得实验仪具有5V和-5V两种工作电压。

单片机1分别与电压测量芯片2、校准电位器4、调零电位器5、D/A转化器6及数个波段开关相连，本实施例设置了4个波段开关，每个波段开关表示不同的分度值。单片机1的定时使能引脚(INT0)和时钟输出引脚(T1)分别与电压测量芯片2的BUSY和CLK引脚相连，电压测量芯片2将输入的模拟电压(待测电压)转换为数字信号，即BUSY输出高电平5V的持续时间，单片机1通过电压测量芯片2读取待测电压的大小；单片机1的一个模拟数字转换引脚(ADC0)与校准电位器4相连，另一个模拟数字转换引脚(ADC1)与调零电位器5相连，校准电位器4和调零电位器5分别用于电位差计的工作电流“校准”调节和检流计表头的“归0”调节的操作；单片机的输入/输出引脚中，有的与D/A转换器6相连，有的与第一波段开关7相连，任意的输入/输出引脚都可以与D/A转换器或第一波段开关相连。单片机1经D/A转换器6与检流计3相连，向检流计3输入模拟电压；第一波段开关7与第二波段开关8、第三波段开关9及第四波段开关10以级联的方式连接，第一波段开关7、第二波段开关8、第三波段开关9及第四波段开关10的分度值分别表示10mV、1mV、0.1mV和0.01mV。

本实施例的单片机1采用宏晶科技生产的型号为STC12C5A60S2的单时钟/机器周期(1T)的单片机。电压测量芯片2采用型号为TLC7135的四位半电压测量芯片，量程为2V。TLC7135芯片具有一个输入锁定管脚，输入锁定管脚与电位差计面板上的输入锁定按钮相连，当待测电压为0V(低电平)时，TLC7135芯片可以锁定待测电压的值，输出恒定的数字量，同时TLC7135芯片还可以测量出负电压，优选的，单片机1还有一个输入输出引脚(P36引脚)与一个发光二极管相连，当待测电压为负电压时，单片机1驱动发光二极管点亮，进行负电压提示。本实施例的校准电位器4和调零电位器5均采用三端电位器，三端电位器的一个固定引出端接系统电源(5V)，一个固定引出端接地(0V)，中间滑动端(输出端)与单片机1的模拟数字转换引脚相连，单片机1通过采集中间滑动端的电压大小即可判断中间滑动端的位置。本实施例的D/A转换器6采用型号为TLC5615转换芯片，具有10位采样精度，单片机的输入/输出引脚(P20、P21和P22引脚)与D/A转换器6的DIN、CLK、CS引脚相连。本实施例的第一波段开关7、第二波段开关8、第三波段开关9及第四波段开关10均采用10档的波段开关。进一步的，每个波段开关均与2个并行转串行的移位寄存器(74HC165芯片)采用级联的方式连接，由此可以减少单片机IO口的占用，同时还便于扩展波段开关的数量。单片机1的输入/输出引脚(P23、P24和P25引脚)与第一波段开关7中74HC165芯片的PL、CP和Q7引脚相连。单片机1通过不间断地控制移位寄存器的时钟，即可识别出每个波段开关的位置。更进一步的，在面板上还可以设置模式选择按钮，用于设置电位差计的工作模式：调零模式、校准模式和测量模式。

本发明电位差计实验仪的使用原理为：单片机1通过D/A转换器6输出一个2.5V上下的模拟电压，该电压可以使检流计3向左或向右偏转，等于2.5V时指0不偏转。单片机1利用电压测量芯片得到待测电压的大小，单片机1同时通过读取出各波段开关的状态，计算出与刻度值对应的电压值，结合调零误差和校准误差，将实际电压值与刻度状态电压值进行比较，若两者相等，则检流计3指0；若实际电压值大于刻度状态电压值，检流计3偏向“+”端，反之则偏向“-”端，当实际电压值与刻度状态电压值相差越大时，偏转量则越大；若是负电压，电压值取绝对值运算，操作流程完全相同，此时用于负电压指示的发光二极管点亮。

电位差计在使用过程中，必须进行调零和工作电流校准流程，否则进会比较大的误差存在。当进行调零时，通过调节调零电位器5来对检流计3的表头进行初始“指0”操作：若调零电位器5的中间滑动端电压为2.5V，即位于中间位置时，控制D/A转换器6，使检流计3不偏转；若调零电位器5的中间滑动端电压不是2.5V，则记录该调零误差值。

当进行校准时，通过调节校准电位器4进行工作电流的“校准”操作：若校准电位器4的中间滑动端电压为2.5V，即位于中间位置时，控制D/A转换器6，使检流计3不偏转；若中间滑动端电压不是2.5V，则记录该校准误差值。

在测量模式下，单片机1读取并计算出待测电压值，然后读取各刻度的波段开关的状态，结合调零误差和校准误差，计算出刻度值对应的电压值(刻度状态电压值)，单片机1根据电压计算值和实际电压值的大小情况，控制D/A转换器6输出一个相应的模拟电压量，决定检流计3的偏转方向和偏转量。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.程控电位差计实验仪，其特征在于，包括：

单片机；

与所述单片机相连的电压测量芯片；

与所述单片机相连的校准电位器；

与所述单片机相连的调零电位器；

与所述单片机相连的D/A转换器，所述D/A转换器的另一端与检流计相连；

与所述单片机相连的波段开关；

为前述电气元件供电的电源转换模块。

2.如权利要求1所述的程控电位差计实验仪，其特征在于：所述波段开关包括表示不同分度值的第一波段开关、第二波段开关、第三波段开关及第四波段开关，所述第一波段开关与所述单片机相连，所述第一波段开关与所述第二波段开关、第三波段开关及第四波段开关以级联的方式连接。

3.根据权利要求1或2所述的程控电位差计实验仪，其特征在于：所述单片机的定时使能引脚和时钟输出引脚分别与所述电压测量芯片相连，单片机的一个模拟数字转换引脚与所述校准电位器相连，单片机的另一个模拟数字转换引脚与所述调零电位器相连，所述D/A转换器和所述波段开关分别与单片机对应的输入/输出引脚相连。

4.根据权利要求1所述的程控电位差计实验仪，其特征在于：所述电源转换模块包括将AC220V转换为DC5V的变压器以及将DC15V转换为-5V的电压转换芯片。

5.根据权利要求1所述的程控电位差计实验仪，其特征在于：所述电压测量芯片采用型号为TLC7135的四位半电压测量芯片，所述四位半电压测量芯片的输入锁定管脚与电位差计面板上的输入锁定按钮相连。

6.根据权利要求1或2或4或5所述的程控电位差计实验仪，其特征在于：所述单片机的一输入输出引脚与一发光二极管相连。

7.根据权利要求1或2或4或5所述的程控电位差计实验仪，其特征在于：所述校准电位器和调零电位器为三端电位器，三端电位器的一个固定引出端接系统电源，一个固定引出端接地，中间滑动端与单片机的模拟数字转换引脚相连。

8.根据权利要求1或2所述的程控电位差计实验仪，其特征在于：所述波段开关为10档波段开关，所述波段开关与2个并行转串行的移位寄存器采用级联的方式连接。

9.根据权利要求1或2所述的程控电位差计实验仪，其特征在于：所述D/A转换器的型号为TLC5615，具有10位采样精度，所述D/A转换器的DIN、CLK、CS引脚分别与单片机的输入/输出引脚相连。