基于P89LPC932单片机的夫兰克-赫兹

摘要：提出一种以单片机P89LPC932为核心的夫兰克-赫兹实验仪设计方案，采用12位A／D转换器件TLC2543进行数模转换，由运放OPA128组成的放大电路放大电流Ip，采用数字电位器MAX5481和DS1844产生变化的UG1K、UG2K、UG2P、UF电压，还配有64 K字节E2PROM和伪USB接口。该仪器具有手工操作、自动操作以及和计算机联机操作等功能。
关键词：夫兰克-赫兹实验仪；P89LPC932；MAX5481；DS1844；OPA128


1 引言
    夫兰克-赫兹实验是近代物理中非常重要的实验，在一定条件下(主要是一定的第一栅极电压UG1K、阻滞电压UG2P、灯丝电压UF)，通过研究阳极电流IP随第二栅极电压UG2P的变化关系，根据电子在碰撞中的能量变化特征来证实原子能级的存在。所以，夫兰克-赫兹实验仪中重点要控制UG1K、UG2P、UF电压的大小并产生一个变化电压UG2K和测出电流IP及电压UG2P的大小。早期仪器中采用机械电位器调节UG1K、UG2K、UG2P、UF电压，只能手动操作；而采用普通运算放大器弱电流放大，稳定性差。为了提高仪器的智能化、稳定性等性能，这里提出一种基于P89LPC932单片机的夫兰克-赫兹实验仪设计方案。

2 仪器整体设计
    本设计以单片机P89LPC932为核心。A/D转换器采用12位、11个输入通道、SPI串口接口的TLC2543。测量经高性能运放OPA128组成的放大电路放大后的IP电流(10-9～10-7A)和经电阻分压的UG1K、UG2K、UG2P、UF电压，其测量结果分别用2个相同的4位7段LED显示．同时保存在64 K字节的E2PROM器件CAT24C256中。数字电位器MAX5481在单片机的SPI接口控制下，通过电路产生一个0～100 V左右、分辨率约为O．1 V的变化UG2K电压。数字电位器DS1844在单片机的I2C接口控制下，通过电路产生3路64阶变化的电压UG1K、UG2P、UF。USB一串口转换器PL2303H使仪器通过伪USB接口与计算机相连，进行数据传输。图1为仪器的整体框图。



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3 基本电路
    该仪器的核心是P89LPC932型单片机，该器件接口丰富，具有768字节RAM数据存储器，8 KB可擦除Flash程序存储器，支持ISP下载；400 kHz字节方式I2C通信端口、SPI通信端口和增强型UART串口，这使其与具备I2C和SPI接口的器件连接和使用都很方便。其内部512字节E2ROM可用于保存开机的初始状态和F-H管(充氩气的夫兰克-赫兹管)的使用安全工作条件。
3．1 A／D转换电路
    A／D转换电路采用TLC2543，它具有11个输入端，12位分辨率，10μs的转换时间，内部带有采样保持器和时钟电路，采用SPI接口。单片机P89LPC932通过SPI接口的4个引脚与其相连，以控制其控制字的写入和转换操作。其中控制字规定TLC2543所要转换的模拟量通道、转换后的输出数据长度、输出数据的格式。转换结果由单片机通过SPI接口读出。UG1K、UG2K、UG2P、UF电压通过电阻分压以及放大后的，Ip电流加到TLC2543的5个输入端，进行测量。
3．2 UG2K电压产生电路
    早期设计中，夫兰克-赫兹实验仪采用机械电位器手工调节来获得变化电压。为了减少设计工作量，充分利用仪器成熟的模拟电路部分电路，本设计采用数字电位器代替机械电位器。
数字电位器MAX5481是10位(1 024阶)非易失、线性变化、可编程分压器(其两个固定端电阻为10 kΩ)，实现机械电位器的功能，采用SPI接口。硬件上．单片机P89LPC932通过SPI接口4个引脚与该器件相连；软件上，通过写入控制字来控制电位器的增大、减小和设定。由于MAX5481的负载能力有限(电阻上的电流范围为几百微安到毫安级)，一般需采用放大电路扩展其负载能力。
3．3 UG1K、UG2P、UF电压产生电路
    采用数字电位器DS1844产生UG1K、UG2P、UF电压，该器件内含4个独立、6位(64阶)线性变化、可编程的分压器，采用I2C接口。硬件上，单片机P89LPC932通过I2C接口2个引脚与其相连；软件上通过写入控制字控制电位器的增大、减小和设定。由于DSl844的负载能力有限，也需采用放大电路扩展其负载能力。图2为UG1K电压产生电路，VT4接成共集放大电路，该电路能够输出一个64阶变化的电压UG1K。同样，采用DS1844的另外2个分压器和相同的驱动电路输出64阶变化的UG2P、UF电压。


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3．4 IP电流放大电路
    在F-H管中产生的电流IP很小(10-9～10-7A)，设计由高性能运放OPA128组成的放大电路对该电流进行放大，如图3所示。该放大电路是仪器性能稳定的关键，需要选择偏置电流小的运算放大器，这里选用OPA128，因为其采用FET输入的“静电计级”运放，输入偏置电流不大于75 fA，失调电压最大为500μV，失调电压漂移最大为5μV／℃，输入阻抗为1013 Ω。该电路能把10-9A的电流放大并转换成1 V的电压输出，送至转换A／D进行转换和测量。

 


3．5 其他电路
    在手动操作模式下，仪器测量的结果需直接显示读数，这里设计两个相同的电流、电压显示模块，这两个模块采用4片74LS164器件和4个7段LED数码管组成静态显示，它们和P89LPC932的连接较简单，只需用4个I／O接口模拟串口0方式进行显示驱动。在自动操作模式下，需接先采集数据再回放结果，为此采用带有I2C接口、64 K字节的E2ROM器件CAT24C256，可直接连接到单片机P89LPC932的I2C接口的2个引脚。在和计算机联机操作模式下，考虑到USB接口的方便性，选用USB串口转换器件PL2303H，使仪器能通过伪USB接口与计算机相连传输数据。PL2303H只需和单片机P89LPC932的UART的TXD、RXD引脚相连接，并读写UART相关的寄存器，计算机的驱动器由生产厂家提供，实际上映射为一个RS232接口编程。从而简化上位机的编程设计。

4 结束语
    由于该仪器是采用P89LPC932、TLC2543、OPA128、MAX5481、DS1844和PL2303H等器件进行设计。保证了仪器的稳定性。本设计以简洁、实用为出发点，合理配置器件，从而提高仪器的整体性能，简化了电路设计和调试。