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摘 要

全数字型弗兰克-赫兹实验仪是针对目前市面上主流弗兰克-赫兹实验仪不足之处改进后的仪器。整个实验仪器以单片机为处理控制核心，以数模和模数转换为主要调控方式，以触摸屏为主要的操作和显示手段，实现仪器的全数字调节；并增加了-曲线实时显示、外围线路连接自检和数据记录等实用功能。本论文主要介绍全数字型弗拉克-赫兹实验仪的整体设计，阐述各部分设计思路和研究方法。

关键词：自检电路 触摸屏 全数字调节

The overall design and adjustment of the full-digital Frank-Hertz experiment instrument

Abstract

The full-digital Frank-Hertz experiment instrument is the improved instrument which improves the shortcomings of current mainstream Frank-Hertz experiment instrument on the market. The whole experiment instrument with the single chip microcomputer as the control core，with D/A and A/D as the main control ways and with the touch screen as the main operation and display means makes the digital modulation come true. Meanwhile, the full-digital Frank-Hertz experiment instrument increase some practical functions such as the -curve real-time display, self-inspection of peripheral circuit connection, and data record. This paper mainly introduces the overall design of the full-digital Frank-Hertz experiment instrument and explains the design ideas and the research methods of each part.

Key Words：Self-checking circuit; Touch screen; Full-digital adjustment

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 5

1.1 实验原理 5

1.2 全数字型弗兰克-赫兹实验仪的提出和总体设计方案 7

第二章 硬件设计 9

2.1数模转换电路设计 9

2.1.1 TLV5616芯片简介 9

2.1.2 TLV5616应用电路 11

2.2模数转换部分 12

2.2.1 ADS7816 简介 12

2.2.2 ADS7816应用电路 14

2.3微电流放大部分 14

2.3.1 UA741运算放大器简介 15

2.3.2微电流放大器电路 16

2.4自检电路部分 17

2.4.1自检电路设计思路 17

2.4.2自检电路 18

2.5触摸屏部分 19

2.5.1迪文触摸屏简介 19

2.5.2触摸屏电路设计 20

2.5.3 人机交互设计 21

2.6 线性稳压放大电路部分 24

2.6.1关键元器件介绍 24

2.6.2线性稳压放大电路设计原理 26

2.6.3 弗兰克-赫兹实验仪中的线性稳压放大电路设计 27

2.7数字信号隔离部分 29

2.7.1 TLP521简介 29

2.7.2 TLP521基本应用电路 30

第三章 主要软件设计 31

3.1主要数模和模数转换控制程序 31

3.1.1第一加速电压数模和模数转换控制程序 31

3.1.2第二加速电压数模转换控制 32

3.1.3灯丝电压数模转换控制 33

3.1.4拒斥电压数模和模数转换控制程序 34

3.2主要微电流测量程序 35

3.2.1微电流测量程序 36

3.2.2数据处理程序(节选) 36

3.3主要线路自检电路程序 37

3.3.1线路自检程序（节选） 38

3.4主要触摸屏相关程序 39

3.4.1串口通信程序 39

3.4.2触摸屏既定功能实现函数（节选） 41

第四章 仪器原理图、PCB 44

4.1仪器原理图 44

4.2仪器PCB板设计图 45

第五章 总结 47

参考文献 48

致谢 49

绪论

在弗兰克-赫兹实验中，为达到实验目的，需要调节四个电压和测量一个电流，分别是第一加速电压、第二加速电压、灯丝电压、拒斥电压和板极电流。其中，第一加速电压、灯丝电压和拒斥电压为实验预设参数，第二加速电压和板极电流为实验中调节和测量参数。实验者每调节一次第二加速电压，就测量一次板极电流，最后绘制出-曲线，得出实验结果。

1.1 实验原理

波尔原子理论指出：原子只能较长地停留在一些稳定的状态（简称为定态）。原子在这些状态时，不发射或吸收能量。各定态有一定的能量，其数值是彼此分割的。原子的能量不论通过怎样的方式发生改变，他只能从一个定态跃迁到另一个定态。其次，原子从一个定态跃迁到另一个定态而发射或吸收辐射时，辐射频率是一定的。如果用Em和En来表示有关两定态的能量的话，辐射频率决定于如下关系

(1.1)

试中，普朗克常量。

如图1-1所示，电子由阴极（灯丝）发出，经过第一加速电压和加速 电压获得能量，并通过碰撞氩原子交换能量，经过拒斥电压最终到达极A，形成板极电流。在起始阶段，第二加速电压较小，电子能量低，在运动过程中和其他原子相碰撞也只有微小的能量的交换。所以，板流将随着第二加速电压的增加而增加。当第二加速电压达到氩原子第一激发电位时，电子从加速电场中获得的能量全部交给氩原子，电子能量降低，不能克服拒斥电压电场折回第二栅极，板流显著减小。随着第二加速电压继续增加，电子能量也继续增加，板流也跟着增加，但当第二加速电压到电位时，电子回因为二次碰撞再次失去能量，板流再次减小。综上，随着第二加速电压

图1-1 弗兰克-赫兹实验管结构图

图1-2 弗兰克-赫兹实验管电压分布图

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