1 引言

夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)是近代物理中非常重要的實(shí)驗(yàn)，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(shí)原子能級(jí)的存在。所以，夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)儀中重點(diǎn)要控制UG1K、UG2P、UF電壓的大小并產(chǎn)生一個(gè)變化電壓UG2K和測(cè)出電流IP及電壓UG2P的大小。早期儀器中采用機(jī)械電位器調(diào)節(jié)UG1K、UG2K、UG2P、UF電壓，只能手動(dòng)操作；而采用普通運(yùn)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(jī)的夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)儀設(shè)計(jì)方案。

2 儀器整體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以單片機(jī)P89LPC932為核心。A/D轉(zhuǎn)換器采用12位、11個(gè)輸入通道、SPI串口接口的TLC2543。測(cè)量經(jīng)高性能運(yùn)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(cè)量結(jié)果分別用2個(gè)相同的4位7段LED顯示．同時(shí)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(jī)的SPI接口控制下，通過電路產(chǎn)生一個(gè)0～100 V左右、分辨率約為0．1 V的變化UG2K電壓。數(shù)字電位器DS1844在單片機(jī)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(jì)算機(jī)相連，進(jìn)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(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SPI接口的4個(gè)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(zhǎng)度、輸出數(shù)據(jù)的格式。轉(zhuǎn)換結(jié)果由單片機(jī)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(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SPI接口4個(gè)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(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I2C接口2個(gè)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(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。

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(jì)由高性能運(yùn)放OPA128組成的放大電路對(duì)該電流進(jìn)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(yùn)算放大器，這里選用OPA128，因?yàn)槠洳捎肍ET輸入的“靜電計(jì)級(jí)”運(yùn)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(jìn)行轉(zhuǎn)換和測(cè)量。

3．5 其他電路

在手動(dòng)操作模式下，儀器測(cè)量的結(jié)果需直接顯示讀數(shù)，這里設(shè)計(jì)兩個(gè)相同的電流、電壓顯示模塊，這兩個(gè)模塊采用4片74LS164器件和4個(gè)7段LED數(shù)碼管組成靜態(tài)顯示，它們和P89LPC932的連接較簡(jiǎn)單，只需用4個(gè)I／O接口模擬串口0方式進(jìn)行顯示驅(qū)動(dòng)。在自動(dòng)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(jī)P89LPC932的I2C接口的2個(gè)引腳。在和計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)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(jì)算機(jī)相連傳輸數(shù)據(jù)。PL2303H只需和單片機(jī)P89LPC932的UART的TXD、RXD引腳相連接，并讀寫UART相關(guān)的寄存器，計(jì)算機(jī)的驅(qū)動(dòng)器由生產(chǎn)廠家提供，實(shí)際上映射為一個(gè)RS232接口編程。從而簡(jiǎn)化上位機(jī)的編程設(shè)計(jì)。

4 結(jié)束語

由于該儀器是采用P89LPC932、TLC2543、OPA128、MAX5481、DS1844和PL2303H等器件進(jìn)行設(shè)計(jì)。保證了儀器的穩(wěn)定性。本設(shè)計(jì)以簡(jiǎn)潔、實(shí)用為出發(fā)點(diǎn)，合理配置器件，從而提高儀器的整體性能，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)和調(diào)試。