MAX5481在夫蘭克一赫茲實(shí)驗(yàn)儀中的應(yīng)用

1 引言
    夫蘭克一赫茲實(shí)驗(yàn)是近代物理中一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)，它通過直接測量電子碰撞中傳遞的能量來證實(shí)原子能級(jí)的存在。夫蘭克一赫茲實(shí)驗(yàn)儀是要產(chǎn)生一個(gè)變化的電壓UG2K，并測出電流IP及UG2K的大小。然而在早期儀器中均采用機(jī)械電位器來調(diào)節(jié)UG2K。在此采用數(shù)字電位器調(diào)節(jié)UG2K。

2 儀器的整體設(shè)計(jì)
    圖l示出儀器的基本原理及IP一UG2K曲線。設(shè)計(jì)中，采用單片機(jī)STC89C54它具有16 K Flash ROM、l 280B RAM、16K E2PROM、標(biāo)準(zhǔn)MCS一51單片機(jī)，支持ISP下載。A／D轉(zhuǎn)換器采用具有12位11個(gè)輸入通道、串口接口的TLC2543?？蓪?duì)經(jīng)過三級(jí)放大了的10-9～10-7A電流In和經(jīng)過電阻分壓的UG2K進(jìn)行測量，其測量結(jié)果分別采用4位7段LED顯示，同時(shí)保存在單片機(jī)的E2PROM中。在單片機(jī)的P1．O~Pl.3引腳控制下，數(shù)字電位器MAX5481通過電路產(chǎn)生一個(gè)電壓約為0~100 V，分辨率約為O．1 V變化的UG2K。RS232串口用于ISP下載。儀器整體框圖如圖2所示。

3 數(shù)字電位器MAX5481
    MAX548l是10位(即1 024抽頭)非易失、線性變化、可編程分壓器和可變電阻器，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，可配置成3線串行SPI兼容接口或增/減(Up／Down)數(shù)字接口。在其內(nèi)部有非易失、電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器(E2PROM)，用于存儲(chǔ)上電時(shí)滑動(dòng)端的初始位置。可采用+2．7～+5．25 V單電源供電或±2．5 V雙電源供電。
3．1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)
    圖3示出MAX548l的內(nèi)部功能框圖。MAX5481主要包括電源、上電復(fù)位、非易失存儲(chǔ)器、鎖存器、解碼電路、SPI接口電路、Up/Down接口電路、接口選擇電路、可變電阻器等。

3．2 引腳功能
    MAX548有16引腳TQFN和14引腳TSSOP兩種封裝。其引腳功能：H為可變電阻高電平端；W為可變電阻滑動(dòng)端；L為可變電阻低電平端；VDD為電源正極；GND為電源地。VSS為電源負(fù)極，當(dāng)單極性電源供電時(shí)，與GND短接；CS為片選信號(hào)，低電平有效；SPI／UD用于接口方式的選擇。高電平時(shí)選擇SPI接口方式，低電平時(shí)選擇Up／Down方式；SCLK(INC)用于兩種方式的切換，在SPI方式下，為時(shí)鐘信號(hào)輸入端；在Up／Down方式，每個(gè)下降沿均使W端增加或減小J LSB；DIN(U／D)用于兩種方式的切換，在SPI方式下，DIN為數(shù)據(jù)信號(hào)輸入端；在Up／Down方式下，決定W端的變化方向。
3．3 單片機(jī)對(duì)MAX5481的控制
    上電后，MAX548l復(fù)位工作，先讀取非易失存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)，經(jīng)鎖存器、解碼電路，使W端移至預(yù)先沒定的位置。接口選擇電路根據(jù)SPI／UD引腳電平選擇接口方式，由SPI接口或Up／Down接口改寫鎖存器的數(shù)據(jù)，經(jīng)解碼后來改變W端的位置，從而改變分壓比和上下電阻值。
3．3．1 SPI接口方式
    當(dāng)SPI／UD=l時(shí)，MAX548l進(jìn)入SPl接口方式；當(dāng)CS=0時(shí)，在時(shí)鐘引腳SCLK(INC)的上升沿，將數(shù)據(jù)輸入引腳DIN(U/D)的數(shù)據(jù)寫入MAX548l。要把數(shù)據(jù)寫到鎖存器時(shí)，需要24個(gè)時(shí)鐘才能把命令和數(shù)據(jù)寫入MAX548l中；要在鎖存器和NV存儲(chǔ)器之間復(fù)制數(shù)據(jù)時(shí)，可以采用8個(gè)時(shí)鐘來寫命令，也可以采用24個(gè)時(shí)鐘把命令和數(shù)據(jù)寫入MAX548l中，其中后面16位數(shù)據(jù)將被忽略。表l示出其數(shù)據(jù)格式。W端的位置由10位鎖存器中的數(shù)據(jù)決定，其分壓比可按下式計(jì)算：

   

式中：D(D9～DO)為鎖存器中的數(shù)據(jù)。例如，當(dāng)D(D9~DO)=000000 0000時(shí)，W端的位置在L端。
3．3．2 Up／Down接口方式
    當(dāng)SPI／UD=0時(shí)，MAX548l進(jìn)入U(xiǎn)p／Down接口方式，該方式操作較簡單。當(dāng)CS=0器件被選中，若引腳DIN(U/D)=l時(shí)，則引腳SCLK(INC)的每個(gè)下降沿均使W端增加1 LSB(向H端移動(dòng))；若引腳DIN(U/D)=0時(shí)，則引腳SCLK(INC)的每個(gè)下降沿均使W端減小1 LSB(向L端移動(dòng))。在SCLK(INC)=1狀態(tài)，引腳CS電平為上升沿時(shí)，MAX5481將把鎖存器數(shù)據(jù)復(fù)制到NV存儲(chǔ)器予以保存。
3．3．3 UG2K電壓產(chǎn)生電路
    在硬件上，單片機(jī)通過P1．0～P1．3口與引腳CS、SCLK(INC)、DIN(U／D)、SPI／UD相連。在軟件上，采用SPI方式對(duì)MAX548l進(jìn)行操作。由于MAX548l是10位(1 024抽頭)的數(shù)字電位器，因此在沒置按鍵時(shí)，還設(shè)有十進(jìn)位、百進(jìn)位加速鍵，以方便調(diào)整。
    由于MAX5481的負(fù)載能力有限．一般需要采用放大電路對(duì)其負(fù)載能力進(jìn)行擴(kuò)展。設(shè)計(jì)中VTl、VT3接成共集放大電路，VT2接成共基放大電路，這樣即可提高帶負(fù)載能力，輸m約0~100V，分辨率約為0．1 V變化的UG2K。該電壓經(jīng)過R7、R8電阻分壓，供測量使用。

4 結(jié)束語
    數(shù)字電位器能在各種應(yīng)用中為模擬電路提供便利的電阻、電壓和電流數(shù)字控制與調(diào)節(jié)。特別是許多模擬電路經(jīng)過幾十年的發(fā)展，技術(shù)成熟，因此只需較小的改進(jìn)，甚至可以直接用數(shù)字電位器替代機(jī)械電位器，而使操作數(shù)字化，既方便蒯節(jié)控制，又提高系統(tǒng)性能，簡化設(shè)計(jì)。