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摘 要

本文研究的主要内容是全数字型弗兰克-赫兹（F-H）实验仪中的输出电压控制系统。现在市面上常见的F-H实验仪还是采用机械方式控制。以这种方式操控的F-H实验仪存在一些缺陷。例如使用寿命短，板级电流与第二加速电压的图像不准确。这些问题会对实验造成一定的影响，从而影响到教学的质量。

因此我们拟采用数字控制的方式，对F-H实验仪重新设计。利用触摸屏、以及单片机系统，替代原有的控制按键。通过对现有各类D/A（数模）转换芯片性能的对比，选取适当的D/A芯片，设计出实用的D/A转换电路。最终完成对实验中灯丝电压，第一加速电压，第二加速电压，拒斥电压等四个参量的D/A转换。

关键词：D/A转换 电压控制 单片机

Voltage control system of digital - to - analog conversion based on 51 Single Chip Microcomputer

Abstract

The main content of this paper is the study of output voltage control system in the all-digital Frank-Hertz (F-H) experimental instrument. The Frank-Hertz experiment, which is now common on the market, is mechanically controlled. The instruments manipulated in this way always have some flaws, such as short service life, the image of board-level current and second accelerating voltage is not accurate. These flaws affect the experiment and then affect the quality of teaching.

In consider of those problems mentioned above, we redesigned the Frank - Hertz experiment instrument using digital control.We use the touch screen and MCU system to replace the original control buttons. Through the comparison of the performance of the existing D / A converter chip, an appropriate D / A chip is selected while a practical D / A conversion circuit is designed. Finally, the digital-to-analog conversion of the four parameters such as the filament voltage , the first accelerating voltage , the second accelerating voltage , and the rejection voltage are completed.

Key words: D / A conversion; voltage control; MCU

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1实验原理 1

1.2 总体方案设计 3

第二章 单片机及D/A的相关介绍 5

2.1单片机 5

2.1.1单片机简介 5

2.1.2 复位电路与时钟电路 8

2.2 D/A转换 9

2.2.1 D/A转换器的基本结构 9

2.2.2 D/A转换的原理 10

2.2.3 D/A转换器的主要参数 13

2.2.4 不同特性的D/A转换器 15

第三章 电路设计 17

3.1 D/A芯片的对比及选取 17

3.1.1 AD667 17

3.1.2 AD569 18

3.1.3 MAX530 19

3.1.4 TLV5616 20

3.2电路设计 23

3.3程序设计 24

3.3.1 第二加速电压转换程序 24

3.3.2 拒斥电压的转换程序 25

3.3.3 第一加速电压的程序 25

3.3.4 灯丝电压的转换程序 26

第四章 总结 28

4.1 电路PCB图 28

4.2作品特点 29

4.3作品展望 29

4.4 总结 30

参考文献 31

致谢 33

绪论

弗兰克-赫兹实验是大学物理实验教程中的重要实验，它采用电子与原子碰撞，然后观察原子的能量吸收状况的方法来验证原子能级的存在以及原子发生跃变时吸收能量具有不连续性，进一步我们可以推算出原子的第一激发电位^[16]。这一实验有灯丝电压，第一加速电压，第二加速电压，拒斥电压，以及板级电流等五个重要参量。

现在市面上的F-H实验仪仍然采用机械按键或电位器控制的方式。以这种方式操控的F-H实验仪在长期使用后由于实验者对电位器的反复转动，触点与电阻膜摩擦频繁，经常会出现触点损坏，接触不良，控制失灵的状况。通过手动旋转电位器旋钮来控制第二加速电压的方法并不是十分准确，由此得出的图像其波谷的位置也存在一定的偏差，给观察实验现象以及计算第一激发电位带来一定的困难。

因此我们拟采用数字控制的方式，利用触摸屏、以及单片机系统，替代原有的控制按键，对F-H实验仪的电路控制部分重新设计，改进实验仪器改进后的实验仪通过触摸屏将参量设置输入给单片机，经单片机处理后，通过D/A转换输出模拟信号，经放大电路对电压信号进行放大后将灯丝电压，第一加速电压，第二加速电压，拒斥电压施加到F-H管。然后通过A/D转换将板级电流以及上述四个电压值传送给单片机。

在这个项目中，我主要承担输出电压控制系统的电路设计部分，即搭建单片机和F-H管之间的桥梁。将上述四个重要的电压参量由数字信号转变为模拟信号，实现单片机对F-H管的电压控制。

本毕业设计主要阐述通过对众多D/A转换芯片的比对，选择在实验需要下具有最佳性能的D/A芯片，以及对D/A转换的电路设计和它的软件设计。完成对实验中灯丝电压，第一加速电压，第二加速电压，拒斥电压等四个参量的DA转换，为整体项目的完成做出贡献。

1.1实验原理

波尔提出的原子理论指出：

1原子只能较长地停留在一些稳定状态。在这些状态时，原子即不发生也不吸收能量。

2原子能量不论如何改变，只能从一个定态跃迁至另一定态。

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