基于QJ24型直流電阻電橋的改進

【摘要】本文采用運算放大器OP07和儀表放大器AD620對QJ24型直流電阻電橋進行了優化設計，通過粗測確定電橋倍率和細測確定最終電阻值，避免了盲目操作，簡化了實驗步驟。

【關鍵詞】直流電阻電橋? 運算放大器? 儀表放大器

引言

QJ24型直流電阻電橋采用惠斯通電橋線路，如圖1所示， 是一種比較式的測量儀器，主要由比率臂、比較臂、檢流計和電池組組成。潘潔紅對提升單臂直流電橋測電阻精確度的方法進行了探究，張明長等人也采用數字電壓表代替指針式檢流計提高實驗的測量精度。指針式檢流計可以方便顯示出所測電路的電流連續變化情況，并由偏轉方向直觀判斷電流的方向，且不會出現數字電壓表容易受干擾的情況。因而在物理實驗中有其獨特的優勢。目前QJ24型電橋中所使用的指針檢流計存在以下缺點：1）學生在實驗過程中，常因電橋倍率選擇不當，導致在測試中電橋極不平衡，損壞檢流計。2）由于采用的分立元件多，放大器容易出現漂移，不穩定的現象。

1、實驗儀器改進

①粗測電路設計

為了更好的保護及高效利用指針式檢流計。粗測部分平衡指示器采用運算放大器OP07與發光二極管構成，如圖2所示。

其中，運放OP07作為差動放大器應用，依其特性，當V+IN>V-IN時，6腳輸出高電平“1”，綠色發光二極管發光，紅色發光二極管熄滅; 當V+IN

所以，在調節電橋平衡的過程中，首先應選擇R3的最高位“×1000”為1，其余位為0，改變電橋的倍率，通過紅色和綠色發光二極管顏色的變換，確定電橋倍率，進而依次確定R3的“×1000”，“×100”，“×10”，“×1”檔位的數值。例如，測量標稱值為3856Ω的電阻，當R3最高位“×1000”選擇為1時（其余位為0），會發現電橋倍率選擇“1”和選擇 “10”后會有發光二極管顏色的變換，所以選擇倍率為“×1”;進而增大最高位的數值，當數值是3時為綠燈（數值是4為紅燈），最終最高位確定為3，依次確定“×100”上的數值為8，“×10”上的數值為4，“×1”上的數值為0，因此，通過粗測得到的電阻阻值為3840Ω。

②細測電路設計

改進后的指針式檢流計采用儀表放大器AD620對微弱信號進行放大，以提高儀器的測量精度，如圖3所示。其中AD620是一款低成本、高精度儀表放大器，僅需要一個外部電阻Rg來設置增益，增益范圍為1至10000。R1，R2，C1，C2，C3構成RFI濾波器，削弱外界干擾信號。

AD620調零電路如圖4所示。其中，LM385B12為微功耗電壓基準二極管，通過調節R8電位器的活動端實現參考電壓調節。OP07構成電壓跟隨器，“隔離”前后級的影響，保證參考電壓穩定。

檢流計最大靈敏度通常為10μV/分度至15μV/分度就能很好地滿足實驗的要求，通過替代法測量得到檢流計表頭內阻R0為4.1KΩ。表頭電流靈敏度為1μA/分度，故表頭電壓靈敏度為4100μV/分度。

當檢流計最大靈敏度為10μV/分度時，檢流計的放大倍數為

考慮到R5與表頭內阻R0的分壓作用，則AD620的放大倍數為

而AD620的放大倍數

因此RG=97Ω，增益調節電阻Rg可由97Ω的標準電阻和1KΩ的電位器共同構成。這時只需要進行精細調整R3即可使檢流計指針指零，進而得到精確的實際電阻值。

2、結束語

本文通過采用OP07運算放大器構成平衡指示器完成對電阻的粗測，保證儀器檢流計不會出現過載。進而采用AD620儀表放大器對原有檢流計放大電路進行了改造，保證了測量系統的穩定高效和精度，簡化了實驗步驟。

參考文獻：

[1]潘潔紅.提升單臂直流電橋測電阻精確度的方法探究[J].科教導刊（中旬刊），2018（08）：47-48.

[2]張明長，吳靜芝.用數字電壓表改進惠斯登電橋實驗[J].北京印刷學院學報，2005（04）：38-40.

[3]董善許.基于儀表放大器AD620的指針檢流計[J].儀器儀表用戶，2011，18（01）：11-13.

作者簡介：雷玉明（1985-），男，漢族，陜西澄城人，碩士，實驗室技術人員，中級工程師，研究方向：實驗儀器改進。