[導讀]基于P89LPC932單片機的夫蘭克-赫茲
摘要：提出一種以單片機P89LPC932為核心的夫蘭克-赫茲實驗儀設計方案，采用12位A／D轉換器件TLC2543進行數模轉換，由運放OPA128組成的放大電路放大電流Ip，采用數字電位器MAX5481和DS1844產生變化的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機操作等功能。
關鍵詞：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的變化關系，根據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-赫茲實驗儀設計方案。
2 儀器整體設計
本設計以單片機P89LPC932為核心。A/D轉換器采用12位、11個輸入通道、SPI串口接口的TLC2543。測量經高性能運放OPA128組成的放大電路放大后的IP電流(10-9～10-7A)和經電阻分壓的UG1K、UG2K、UG2P、UF電壓，其測量結果分別用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。數字電位器MAX5481在單片機的SPI接口控制下，通過電路產生一個0～100 V左右、分辨率約為O．1 V的變化UG2K電壓。數字電位器DS1844在單片機的I2C接口控制下，通過電路產生3路64階變化的電壓UG1K、UG2P、UF。USB一串口轉換器PL2303H使儀器通過偽USB接口與計算機相連，進行數據傳輸。圖1為儀器的整體框圖。
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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數據存儲器，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轉換電路
A／D轉換電路采用TLC2543，它具有11個輸入端，12位分辨率，10μs的轉換時間，內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換操作。其中控制字規(guī)定TLC2543所要轉換的模擬量通道、轉換后的輸出數據長度、輸出數據的格式。轉換結果由單片機通過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電壓產生電路
早期設計中，夫蘭克-赫茲實驗儀采用機械電位器手工調節(jié)來獲得變化電壓。為了減少設計工作量，充分利用儀器成熟的模擬電路部分電路，本設計采用數字電位器代替機械電位器。
數字電位器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、減小和設定。由于MAX5481的負載能力有限(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載能力。
3．3 UG1K、UG2P、UF電壓產生電路
采用數字電位器DS1844產生UG1K、UG2P、UF電壓，該器件內含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、減小和設定。由于DSl844的負載能力有限，也需采用放大電路擴展其負載能力。圖2為UG1K電壓產生電路，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動電路輸出64階變化的UG2P、UF電壓。
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3．4 IP電流放大電路
在F-H管中產生的電流IP很小(10-9～10-7A)，設計由高性能運放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，失調電壓最大為500μV，失調電壓漂移最大為5μV／℃，輸入阻抗為1013 Ω。該電路能把10-9A的電流放大并轉換成1 V的電壓輸出，送至轉換A／D進行轉換和測量。
3．5 其他電路
在手動操作模式下，儀器測量的結果需直接顯示讀數，這里設計兩個相同的電流、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方式進行顯示驅動。在自動操作模式下，需接先采集數據再回放結果，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。在和計算機聯機操作模式下，考慮到USB接口的方便性，選用USB串口轉換器件PL2303H，使儀器能通過偽USB接口與計算機相連傳輸數據。PL2303H只需和單片機P89LPC932的UART的TXD、RXD引腳相連接，并讀寫UART相關的寄存器，計算機的驅動器由生產廠家提供，實際上映射為一個RS232接口編程。從而簡化上位機的編程設計。
4 結束語
由于該儀器是采用P89LPC932、TLC2543、OPA128、MAX5481、DS1844和PL2303H等器件進行設計。保證了儀器的穩(wěn)定性。本設計以簡潔、實用為出發(fā)點，合理配置器件，從而提高儀器的整體性能，簡化了電路設計和調試。
關鍵詞：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的變化關系，根據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-赫茲實驗儀設計方案。
2 儀器整體設計
本設計以單片機P89LPC932為核心。A/D轉換器采用12位、11個輸入通道、SPI串口接口的TLC2543。測量經高性能運放OPA128組成的放大電路放大后的IP電流(10-9～10-7A)和經電阻分壓的UG1K、UG2K、UG2P、UF電壓，其測量結果分別用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。數字電位器MAX5481在單片機的SPI接口控制下，通過電路產生一個0～100 V左右、分辨率約為O．1 V的變化UG2K電壓。數字電位器DS1844在單片機的I2C接口控制下，通過電路產生3路64階變化的電壓UG1K、UG2P、UF。USB一串口轉換器PL2303H使儀器通過偽USB接口與計算機相連，進行數據傳輸。圖1為儀器的整體框圖。
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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數據存儲器，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轉換電路
A／D轉換電路采用TLC2543，它具有11個輸入端，12位分辨率，10μs的轉換時間，內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換操作。其中控制字規(guī)定TLC2543所要轉換的模擬量通道、轉換后的輸出數據長度、輸出數據的格式。轉換結果由單片機通過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電壓產生電路
早期設計中，夫蘭克-赫茲實驗儀采用機械電位器手工調節(jié)來獲得變化電壓。為了減少設計工作量，充分利用儀器成熟的模擬電路部分電路，本設計采用數字電位器代替機械電位器。
數字電位器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、減小和設定。由于MAX5481的負載能力有限(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載能力。
3．3 UG1K、UG2P、UF電壓產生電路
采用數字電位器DS1844產生UG1K、UG2P、UF電壓，該器件內含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、減小和設定。由于DSl844的負載能力有限，也需采用放大電路擴展其負載能力。圖2為UG1K電壓產生電路，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動電路輸出64階變化的UG2P、UF電壓。
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3．4 IP電流放大電路
在F-H管中產生的電流IP很小(10-9～10-7A)，設計由高性能運放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，失調電壓最大為500μV，失調電壓漂移最大為5μV／℃，輸入阻抗為1013 Ω。該電路能把10-9A的電流放大并轉換成1 V的電壓輸出，送至轉換A／D進行轉換和測量。
3．5 其他電路
在手動操作模式下，儀器測量的結果需直接顯示讀數，這里設計兩個相同的電流、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方式進行顯示驅動。在自動操作模式下，需接先采集數據再回放結果，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。在和計算機聯機操作模式下，考慮到USB接口的方便性，選用USB串口轉換器件PL2303H，使儀器能通過偽USB接口與計算機相連傳輸數據。PL2303H只需和單片機P89LPC932的UART的TXD、RXD引腳相連接，并讀寫UART相關的寄存器，計算機的驅動器由生產廠家提供，實際上映射為一個RS232接口編程。從而簡化上位機的編程設計。
4 結束語
由于該儀器是采用P89LPC932、TLC2543、OPA128、MAX5481、DS1844和PL2303H等器件進行設計。保證了儀器的穩(wěn)定性。本設計以簡潔、實用為出發(fā)點，合理配置器件，從而提高儀器的整體性能，簡化了電路設計和調試。
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