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分享:基于P89LPC932单片机的夫兰克-赫兹

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luck2013
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LV8
副总工程师
  • 2019-10-23 14:06:26
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。
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。
QQ截图20191023132249.png
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。
QQ截图20191023134939.png
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。
QQ截图20191023140531.png
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。

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