MAX5481在夫兰克一赫兹实验仪中的应用

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0~100V，分辨率约为0．1 V变化的UG2K。该电压经过R7、R8电阻分压，供测量使用。

4 结束语
    数字电位器能在各种应用中为模拟电路提供便利的电阻、电压和电流数字控制与调节。特别是许多模拟电路经过几十年的发展，技术成熟，因此只需较小的改进，甚至可以直接用数字电位器替代机械电位器，而使操作数字化，既方便蒯节控制，又提高系统性能，简化设计。