基于單片機(jī)的夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)儀設(shè)計(jì)方案
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時(shí)間：2011-12-02
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該儀器的核心是P89LPC932型單片機(jī)，該器件接口豐富，具有768字節(jié)RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，8 KB可擦除Flash程序存儲(chǔ)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(qiáng)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(kāi)機(jī)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(gè)輸入端，12位分辨率，10μs的轉(zhuǎn)換時(shí)間，內(nèi)部帶有采樣保持器和時(shí)鐘電路，采用SPI接口。單片機(jī)P89LPC932通過(guò)SPI接口的4個(gè)引腳與其相連，以控制其控制字的寫(xiě)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(zhǎng)度、輸出數(shù)據(jù)的格式。轉(zhuǎn)換結(jié)果由單片機(jī)通過(guò)SPI接口讀出。UG1K、UG2K、UG2P、UF電壓通過(guò)電阻分壓以及放大后的，Ip電流加到TLC2543的5個(gè)輸入端，進(jìn)行測(cè)量。
3．2 UG2K電壓產(chǎn)生電路
早期設(shè)計(jì)中，夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)儀采用機(jī)械電位器手工調(diào)節(jié)來(lái)獲得變化電壓。為了減少設(shè)計(jì)工作量，充分利用儀器成熟的模擬電路部分電路，本設(shè)計(jì)采用數(shù)字電位器代替機(jī)械電位器。
數(shù)字電位器MAX5481是10位(1 024階)非易失、線(xiàn)性變化、可編程分壓器(其兩個(gè)固定端電阻為10 kΩ)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械電位器的功能，采用SPI接口。硬件上．單片機(jī)P89LPC932通過(guò)SPI接口4個(gè)引腳與該器件相連；軟件上，通過(guò)寫(xiě)入控制字來(lái)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(jí))，一般需采用放大電路擴(kuò)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(gè)獨(dú)立、6位(64階)線(xiàn)性變化、可編程的分壓器，采用I2C接口。硬件上，單片機(jī)P89LPC932通過(guò)I2C接口2個(gè)引腳與其相連；軟件上通過(guò)寫(xiě)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(kuò)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(gè)64階變化的電壓UG1K。同樣，采用DS1844的另外2個(gè)分壓器和相同的驅(qū)動(dòng)電路輸出64階變化的UG2P、UF電壓。
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