光標式電子檢流計

楊善迎

LC電磁振蕩是高中物理教學的一個重要的難點實驗。我刊2000年11期刊出的《用發(fā)光二極管顯示電磁振蕩》一文中 ，實驗時僅紅色二極管微微發(fā)亮后，兩二極管再也不發(fā)亮，根本看不到二極管依此交替發(fā)光的現(xiàn)象。這主要是二極管的插入損耗太大，使LC回路的Q值低。把電流計直接串入LC振蕩回路，由于插入損耗太大且響應速度慢，如采用光標檢流計，會取得很好的效果。

工作原理

電路原理如附圖所示，集成運放A、B與周圍電阻組成電流檢測放大電路。它由兩級反相輸入的比例放大器組成，總電壓放大倍數(shù)AU=（R5/R4）·（W2+R8）/R7，可在100~68100間連續(xù)可調(diào)，以適應不同檢測電流的需要。R2、R3、W1為運放建立合適的工作點，使輸入端Ui=0時，輸出端電壓Uo為電源電壓的一半，使起檢流指示作用的發(fā)光管LED1~LED5、LED7~LED11均不發(fā)光，實際上，W1起到了指針式檢流計調(diào)零旋鈕的作用。a 、b為檢流計的輸入端子，R1為檢測電阻，也就是檢流計的內(nèi)阻，D1、D2為輸入保護二極管，防止大電流損壞運放A。當有檢測電流i流過R1時，其兩端產(chǎn)生壓降Ui= i·R1，該壓降即為放大電路的輸入信號電壓，被放大顯示。由于R1很小，只有1Ω，所以檢流計串聯(lián)在電流回路中，對被檢測電路幾乎無影響。R10~R20串聯(lián)分壓產(chǎn)生10個基準電壓，各集成運放接成電壓比較器，與電阻、發(fā)光二極管組成電平指示電路以同步反映端子a 、b間流過電流的相對大小、方向及變化規(guī)律。其中，運放C~G構成的5個電壓比較器，其反相輸入端分別接基準電壓6.2、5.8、5.4、5.0、4.6V，同相輸入端都接放大器B的輸出U0，用于正向電流（即從a端流入b端流出）的比較顯示。另5個電壓比較器的同相輸入端分別接基準電壓4.4 、4.0 、3.6、3.2 、2.8 V，反相輸入端都接放大器的輸出U0，用于負向電流的比較顯示。

當有電流 i從 a端流入，假如為 0.1mA，此電流幾乎全部流經(jīng)R1，則放大器檢測到的輸入電壓為U1=0.1 mA×1Ω=10-4V，若放大倍數(shù)調(diào)在10000倍，則Uo= 4.5 V+10-4V×10000 =5.5V，高于電壓比較器E、F、G的基準電壓，輸出高電平，對應發(fā)光管LED3~LED5發(fā)光，當i =0.15 mA，則Uo=6 V，比較器D也輸出高電平，LED2也發(fā)光，發(fā)光管的數(shù)目與檢測電流成正比，輸入電流由小到大時，發(fā)光管點亮的次序為5—4—3—2—1。當電流從b端流入，檢測電壓Ui為負，輸出電壓Uo降低，擔任負向檢測的比較器H、J、K、L、M依次輸出高電平，使對應LED發(fā)光。電流越大，Uo越低，發(fā)光管亮的數(shù)目越多（次序為7—8—9—10—11）。這樣，通過弧形排列的10只LED（常亮的LED6除外）的發(fā)光數(shù)目和位置即可定性地反映檢測電流的大小和方向。且發(fā)光管與電流的變化同步顯示，非常形象、直觀。

制作方法

元件選擇 運放A~M為三塊運放集成電路LM324，每塊運放集成電路內(nèi)含有四個相同的運算放大器，它們電源共用，彼此獨立工作。發(fā)光二極管LED6為紅色或黃色，其余LED為綠色，均用2×7mm高亮度的，所有電阻均用 1/8W普通碳膜電阻，C1用耐壓25V的電解電容器，W1、W2為優(yōu)質(zhì)碳膜或線繞電位器。電源可用6節(jié)1號電池或外接7.5~12V直流電，也可在檢流計電路內(nèi)設計上直流電路，接220V市電，在此不再贅述。

安裝調(diào)試除電位器W1、W2、LED及限流電阻R21~R31外，其余元件都設計安裝在一塊敷銅板上，所有限流電阻均和LED焊在一起，這樣可減少引線。為適應指針式檢流計的觀察習慣，可把LED1~LED11呈扇形排列安裝在面板上，LED6排在正中間，為便于學生觀察，檢流計外形尺寸可適當大些。只要元件無誤，安裝正確，不用調(diào)試，均能正常工作。

LED光標電流計內(nèi)阻很小，響應速度快，可視性強，能很好地彌補傳統(tǒng)電流計在LC電磁振蕩實驗中的缺陷。值得注意的是：光標指示值僅定性表示流過檢流計電流大小。該光標電流計是一個近似理想的檢流計，使用前估測電流大小，轉(zhuǎn)動W2使增益選在合適位置，接通電源開關K，調(diào)整W1使排在正中間的LED6外，其余LED均不發(fā)光（即調(diào)零）。把接線柱a、b接入待測電路。即可向指針式檢流計一樣進行演示實驗。

該光標檢流計的靈敏度很高，可利用它做電磁感應相關實驗，并能改善其演示和觀察效果。