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MAX5481在夫兰克一赫兹实验仪中的应用

2009年01月05日 ?? 收藏0

1 引言

夫兰克一赫兹实验是近代物理中一个重要实验,它通过直接测量电子碰撞中传递的能量来证实原子能级的存在。夫兰克一赫兹实验仪是要产生一个变化的电压UG2K,并测出电流IP及UG2K的大小。然而在早期仪器中均采用机械电位器来调节UG2K。在此采用数字电位器调节UG2K。

2 仪器的整体设计

图l示出仪器的基本原理及IP一UG2K曲线。设计中,采用单片机STC89C54它具有16 K Flash ROM、l 280B RAM、16K E2PROM、标准MCS一51单片机,支持ISP下载。A/D转换器采用具有12位11个输入通道、串口接口的TLC2543。可对经过三级放大了的10-9~10-7A电流In和经过电阻分压的UG2K进行测量,其测量结果分别采用4位7段LED显示,同时保存在单片机的E2PROM中。在单片机的P1.O~Pl.3引脚控制下,数字电位器MAX5481通过电路产生一个电压约为0~100 V,分辨率约为O.1 V变化的UG2K。RS232串口用于ISP下载。仪器整体框图如图2所示。

3 数字电位器MAX5481

MAX548l是10位(即1 024抽头)非易失、

线性变化、可编程分压器和可变电阻器,其两个固定端电阻为10 kΩ,实现机械电位器的功能,可配置成3线串行SPI兼容接口或增/减(Up/Down)数字接口。在其内部有非易失、电可擦除可编程只读存储器(E2PROM),用于存储上电时滑动端的初始位置。可采用+2.7~+5.25 V单电源供电或±2.5 V双电源供电。

3.1 内部结构

图3示出MAX548l的内部功能框图。MAX5481主要包括电源、上电复位、非易失存储器、锁存器、解码电路、SPI接口电路、Up/Down接口电路、接口选择电路、可变电阻器等。

3.2 引脚功能

MAX548有16引脚TQFN和14引脚TSSOP两种封装。其引脚功能:H为可变电阻高电平端;W为可变电阻滑动端;L为可变电阻低电平端;VDD为电源正极;GND为电源地。VSS为电源负极,当单极性电源供电时,与GND短接;CS为片选信号,低电平有效;SPI/UD用于接口方式的选择。高电平时选择SPI接口方式,低电平时选择Up/Down方式;SCLK(INC)用于两种方式的切换,在SPI方式下,为时钟信号输入端;在Up/Down方式,每个下降沿均使W端增加或减小J LSB;DIN(U/D)用于两种方式的切换,在SPI方式下,DIN为数据信号输入端;在Up/Down方式下,决定W端的变化方向。

3.3 单片机对MAX5481的控制

上电后,MAX548l复位工作,先读取非易失存储器中的数据,经锁存器、解码电路,使W端移至预先没定的位置。接口选择电路根据SPI/UD引脚电平选择接口方式,由SPI接口或Up/Down接口改写锁存器的数据,经解码后来改变W端的位置,从而改变分压比和上下电阻值。

3.3.1 SPI接口方式

当SPI/UD=l时,MAX548l进入SPl接口方式;当CS=0时,在时钟引脚SCLK(INC)的上升沿,将数据输入引脚DIN(U/D)的数据写入MAX548l。要把数据写到锁存器时,需要24个时钟才能把命令和数据写入MAX548l中;要在锁存器和NV存储器之间复制数据时,可以采用8个时钟来写命令,也可以采用24个时钟把命令和数据写入MAX548l中,其中后面16位数据将被忽略。表l示出其数据格式。W端的位置由10位锁存器中的数据决定,其分压比可按下式计算:

式中:D(D9~DO)为锁存器中的数据。例如,当D(D9~DO)=000000 0000时,W端的位置在L端。

3.3.2 Up/Down接口方式

当SPI/UD=0时,MAX548l进入Up/Down接口方式,该方式操作较简单。当CS=0器件被选中,若引脚DIN(U/D)=l时,则引脚SCLK(INC)的每个下降沿均使W端增加1 LSB(向H端移动);若引脚DIN(U/D)=0时,则引脚SCLK(INC)的每个下降沿均使W端减小1 LSB(向L端移动)。在SCLK(INC)=1状态,引脚CS电平为上升沿时,MAX5481将把锁存器数据复制到NV存储器予以保存。

3.3.3 UG2K电压产生电路

在硬件上,单片机通过P1.0~P1.3口与引脚CS、SCLK(INC)、DIN(U/D)、SPI/UD相连。在软件上,采用SPI方式对MAX548l进行操作。由于MAX548l是10位(1 024抽头)的数字电位器,因此在没置按键时,还设有十进位、百进位加速键,以方便调整。

由于MAX5481的负载能力有限.一般需要采用放大电路对其负载能力进行扩展。设计中VTl、VT3接成共集放大电路,VT2接成共基放大电路,这样即可提高带负载能力,输m约0~1


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