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摘 要

F-H（以下简称F-H）实验基本电路需要实现对四个电压的控制以及一个小电流的测量，分别是灯丝电压、第一加速电压、加速电压、拒斥电压和板流。这五个参数需要通过A/D转换以实现从弗兰克赫兹试验仪与单片机的传输。毕业设计主要阐述了A/D转换的原理，主要技术参数，并分析比较了市面上主流公司的A/D芯片的参数，然后选择合适的芯片，完成电路设计，软件设计。

关键词：F-H 单片机 AD 芯片

ABSTRACT

Frank Hertz (F-H) experimental basic circuit need to achieve the control of the four voltage and a small current measurement, respectively, filament voltage, the first acceleration voltage, acceleration voltage, rejection voltage and plate flow. These five parameters need to be converted by A / D to achieve transmission from the Frank Hertz tester to the microcontroller. Graduation design mainly describes the A / D conversion principle, the main technical parameters, and analysis of the mainstream companies on the A / D chip parameters, and then select the appropriate chip to complete the circuit design, software design.

Key words: Frank - Hertz；A/D；chip

目录

摘要 I

ABSTRACT I

目录 1

1.1实验原理 2

1.2 全数字型弗兰克-赫兹实验仪的提出和总体设计方案 4

第二章 单片机部分 6

2.1 51单片机简介 6

2.1.1.MCS-51单片机的基本结构如图2-1所示。 6

2.1.2.复位与时钟电路 6

2.2 STC89C52RC单片机 8

第三章模数转换器 8

3.1 模数转换器（ADC）简介 8

3.2 ADC的工作原理 8

3.2.1前置滤波 8

3.2.2采样保持 9

3.2.3量化 10

3.2.4编码 11

3.3 AD的参数 11

3.4AD的分类 13

3.4.1逐次逼近型AD（SAR ADC） 13

3.4.5压频转换器型AD（VFC型ADC） 16

3.4.6双积分型ADC（VT型ADC 17

3.5各类型ADC优缺点对比 19

第四章芯片选择与程序设计 21

4.1精度的确定 21

4.2主流芯片 22

4.2.1 AD7705 22

4.2.2 AD876 23

4.2.3 ADS7816 25

4.3电路与软件设计 27

4.3.1ADS7816应用电路 27

4.4软件部分 28

5.微电流测量程序 32

第五章 总结 33

5.1仪器PCB板设计图 33

5.2作品展望 34

5.3感想 35

参考文献 36

致谢 38

第一章 绪论

F-H实验是比较经典的物理实验之一，该实验主要是经过不断变换各种能量参数对经过F-H管（如氩管）的电子形成的电流大小的测量，最终画出电流的大小和相应能量参数的曲线，从而归纳出电流的大小随相应能量参数进行一定规律性变化的结论。（该结论直接证明了原子能级的存在并测定了能级的大小，为波尔的原子理论提供了有力的证据）。

我们在做实验的时候，需要经常调节加速电压，平均每次实验都要调节上百次。然而，市面上现存的F-H实验仪多采用按键或电位器调节。按键是一种简单的可复位开关结构，每次操作都是一次冲放电过程，长期使用将造成触点氧化，导致接触不良；电位器的典型结构主要是由电阻体、接触刷、基体或骨架等基础部分构成，触点与电阻膜频繁摩擦，也经常出现电阻体和接触刷损坏，接触不良等情况。另一方面，在实验过程中加速电压最高可达100V左右，如果学生电路连接错误，极易造成实验仪器内部电路元器件损坏。

针对以上问题并结合现存实验仪器。我们拟采用AT89C52系列单片机作为控制核心，用触摸屏控制代替原先仪器的电位器、按键控制，重新设计电路，沿用数字控制方式，实现F-H仪的全数字化。最后，根据实际，增加并设计线路连接自检电路，实现开机自检，减少学生线路连接错误现象的发生。

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:

式中，普朗克常量。

图1-1 F-H实验原理图 图1-2 F-H实验管内空间电位分布图

图1-3 F-H管的IA-UG2K曲线

F-H实验原理图如图1-1灯丝发射出电子，经过和加速获得能量。电子碰撞到氩原子，将能量传递给它，提供反向电压，最终电子到达板级A，产生电流。在起始阶段，加速电压较小，电子能量低，在运动过程中即使和其他原子相碰撞也只有微小的能量的交换（为弹性碰撞）。所以，板流将随着加速电压的增加而增加( 图1-3的Oa段)。当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，使其从基态激发到第一激发态。而电子能量降低，不能克服拒斥电压电场折回第二栅极G2，板流显著减小（ab段）。随着第二栅极电压继续增加，电子能量也继续增加，板流也跟着增加（bc段），但当加速电压到达二倍氩原子第一激发电位时，电子因为二次碰撞再次失去能量，板流再次减小（cd段）。综上，随着加速电压的增加，板流呈现周期性变化，如图1-3。下降对应的阴极、栅极电压差应为氩原子第一激发电位。

F-H实验通过绘制的关系图，可以计算出氩原子的第一激发电位。这就证明了原子能级的存在。

1.2 全数字型弗兰克-赫兹实验仪的提出和总体设计方案

目前，市面上弗兰克-赫兹实验仪主要采用电位器或按键进行调节控制。一方面电位器和按键容易损坏，造成接触不良的现象，影响实验；另一方面电位器调节很难把控调节精度，而参数的精度会对实验结果的精度造成直接影响。其次弗兰克-赫兹实验要求实验者进行仪器外围线路连接，主要包括第一加速电压线路连接、加速电压线路连接、灯丝电压线路连接、拒斥电压线路连接和板极电流测量线路连接，而现存的弗拉克-赫兹实验仪大部分自检和报警电路不完善或者没有自检和报警电路。实验者一旦连接错误，往往导致实验无法进行或结果出错，并可能损坏仪器。

图1-4 弗兰克-赫兹实验仪总体方案模块图

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