摘要：提出一種以單片機P89LPC932為核心的夫蘭克-赫茲實驗儀設(shè)計方案,，采用12位A／D轉(zhuǎn)換器件TLC2543進行數(shù)模轉(zhuǎn)換,，由運放OPA128組成的放大電路放大電流Ip,，采用數(shù)字電位器MAX5481和DS1844產(chǎn)生變化的UG1K,、UG2K、UG2P,、UF電壓,，還配有64 K字節(jié)E2PROM和偽USB接口。該儀器具有手工操作,、自動操作以及和計算機聯(lián)機操作等功能,。
關(guān)鍵詞：夫蘭克-赫茲實驗儀；P89LPC932,；MAX5481,；DS1844；OPA128


1 引言
    夫蘭克-赫茲實驗是近代物理中非常重要的實驗,，在一定條件下(主要是一定的第一柵極電壓UG1K,、阻滯電壓UG2P、燈絲電壓UF),，通過研究陽極電流IP隨第二柵極電壓UG2P的變化關(guān)系,，根據(jù)電子在碰撞中的能量變化特征來證實原子能級的存在。所以,，夫蘭克-赫茲實驗儀中重點要控制UG1K,、UG2P、UF電壓的大小并產(chǎn)生一個變化電壓UG2K和測出電流IP及電壓UG2P的大小,。早期儀器中采用機械電位器調(diào)節(jié)UG1K,、UG2K、UG2P,、UF電壓,，只能手動操作；而采用普通運算放大器弱電流放大,，穩(wěn)定性差,。為了提高儀器的智能化,、穩(wěn)定性等性能，這里提出一種基于P89LPC932單片機的夫蘭克-赫茲實驗儀設(shè)計方案,。

2 儀器整體設(shè)計
    本設(shè)計以單片機P89LPC932為核心,。A/D轉(zhuǎn)換器采用12位、11個輸入通道,、SPI串口接口的TLC2543,。測量經(jīng)高性能運放OPA128組成的放大電路放大后的IP電流(10-9～10-7A)和經(jīng)電阻分壓的UG1K、UG2K,、UG2P,、UF電壓，其測量結(jié)果分別用2個相同的4位7段LED顯示．同時保存在64 K字節(jié)的E2PROM器件CAT24C256中,。數(shù)字電位器MAX5481在單片機的SPI接口控制下,，通過電路產(chǎn)生一個0～100 V左右、分辨率約為O．1 V的變化UG2K電壓,。數(shù)字電位器DS1844在單片機的I2C接口控制下,，通過電路產(chǎn)生3路64階變化的電壓UG1K、UG2P,、UF,。USB一串口轉(zhuǎn)換器PL2303H使儀器通過偽USB接口與計算機相連，進行數(shù)據(jù)傳輸,。圖1為儀器的整體框圖,。





3 基本電路
    該儀器的核心是P89LPC932型單片機，該器件接口豐富,，具有768字節(jié)RAM數(shù)據(jù)存儲器,，8 KB可擦除Flash程序存儲器，支持ISP下載,；400 kHz字節(jié)方式I2C通信端口,、SPI通信端口和增強型UART串口，這使其與具備I2C和SPI接口的器件連接和使用都很方便,。其內(nèi)部512字節(jié)E2ROM可用于保存開機的初始狀態(tài)和F-H管(充氬氣的夫蘭克-赫茲管)的使用安全工作條件,。
3．1 A／D轉(zhuǎn)換電路
    A／D轉(zhuǎn)換電路采用TLC2543，它具有11個輸入端,，12位分辨率,，10μs的轉(zhuǎn)換時間，內(nèi)部帶有采樣保持器和時鐘電路,，采用SPI接口,。單片機P89LPC932通過SPI接口的4個引腳與其相連，以控制其控制字的寫入和轉(zhuǎn)換操作,。其中控制字規(guī)定TLC2543所要轉(zhuǎn)換的模擬量通道,、轉(zhuǎn)換后的輸出數(shù)據(jù)長度,、輸出數(shù)據(jù)的格式。轉(zhuǎn)換結(jié)果由單片機通過SPI接口讀出,。UG1K,、UG2K、UG2P,、UF電壓通過電阻分壓以及放大后的,，Ip電流加到TLC2543的5個輸入端，進行測量,。
3．2 UG2K電壓產(chǎn)生電路
    早期設(shè)計中,，夫蘭克-赫茲實驗儀采用機械電位器手工調(diào)節(jié)來獲得變化電壓。為了減少設(shè)計工作量,，充分利用儀器成熟的模擬電路部分電路,，本設(shè)計采用數(shù)字電位器代替機械電位器。
數(shù)字電位器MAX5481是10位(1 024階)非易失,、線性變化,、可編程分壓器(其兩個固定端電阻為10 kΩ),，實現(xiàn)機械電位器的功能,，采用SPI接口。硬件上．單片機P89LPC932通過SPI接口4個引腳與該器件相連,；軟件上,，通過寫入控制字來控制電位器的增大、減小和設(shè)定,。由于MAX5481的負(fù)載能力有限(電阻上的電流范圍為幾百微安到毫安級),，一般需采用放大電路擴展其負(fù)載能力。
3．3 UG1K,、UG2P,、UF電壓產(chǎn)生電路
    采用數(shù)字電位器DS1844產(chǎn)生UG1K、UG2P,、UF電壓,，該器件內(nèi)含4個獨立、6位(64階)線性變化,、可編程的分壓器,，采用I2C接口。硬件上,，單片機P89LPC932通過I2C接口2個引腳與其相連,；軟件上通過寫入控制字控制電位器的增大、減小和設(shè)定,。由于DSl844的負(fù)載能力有限,，也需采用放大電路擴展其負(fù)載能力,。圖2為UG1K電壓產(chǎn)生電路，VT4接成共集放大電路,，該電路能夠輸出一個64階變化的電壓UG1K,。同樣，采用DS1844的另外2個分壓器和相同的驅(qū)動電路輸出64階變化的UG2P,、UF電壓,。





3．4 IP電流放大電路
    在F-H管中產(chǎn)生的電流IP很小(10-9～10-7A)，設(shè)計由高性能運放OPA128組成的放大電路對該電流進行放大,，如圖3所示,。該放大電路是儀器性能穩(wěn)定的關(guān)鍵，需要選擇偏置電流小的運算放大器,，這里選用OPA128,，因為其采用FET輸入的“靜電計級”運放，輸入偏置電流不大于75 fA,，失調(diào)電壓最大為500μV,，失調(diào)電壓漂移最大為5μV／℃，輸入阻抗為1013 Ω,。該電路能把10-9A的電流放大并轉(zhuǎn)換成1 V的電壓輸出,，送至轉(zhuǎn)換A／D進行轉(zhuǎn)換和測量。

 


3．5 其他電路
    在手動操作模式下,，儀器測量的結(jié)果需直接顯示讀數(shù),，這里設(shè)計兩個相同的電流、電壓顯示模塊,，這兩個模塊采用4片74LS164器件和4個7段LED數(shù)碼管組成靜態(tài)顯示,，它們和P89LPC932的連接較簡單，只需用4個I／O接口模擬串口0方式進行顯示驅(qū)動,。在自動操作模式下,，需接先采集數(shù)據(jù)再回放結(jié)果，為此采用帶有I2C接口,、64 K字節(jié)的E2ROM器件CAT24C256,，可直接連接到單片機P89LPC932的I2C接口的2個引腳。在和計算機聯(lián)機操作模式下,，考慮到USB接口的方便性,，選用USB串口轉(zhuǎn)換器件PL2303H，使儀器能通過偽USB接口與計算機相連傳輸數(shù)據(jù),。PL2303H只需和單片機P89LPC932的UART的TXD,、RXD引腳相連接，并讀寫UART相關(guān)的寄存器，計算機的驅(qū)動器由生產(chǎn)廠家提供,，實際上映射為一個RS232接口編程,。從而簡化上位機的編程設(shè)計。

4 結(jié)束語
    由于該儀器是采用P89LPC932,、TLC2543,、OPA128、MAX5481,、DS1844和PL2303H等器件進行設(shè)計,。保證了儀器的穩(wěn)定性。本設(shè)計以簡潔,、實用為出發(fā)點,，合理配置器件，從而提高儀器的整體性能,，簡化了電路設(shè)計和調(diào)試,。