夫兰克2赫兹实验的计算机数据采集和处理系统林定移曾贻伟(北京师范大学物理系100875)摘要对传统的夫兰克2赫兹实验进行了计算机接口改造.改造后的实验利用计算机自动控制栅压的扫描,对板极电流自动采集,并显示特征曲线.高位数的接口板使得测量数据的准确度更高,有利于提高曲线的分辨率.用计算机进行控制比手动实验更节省时间,可以完成更多的实验内容.关键词夫兰克2赫兹实验计算机接口信号转换数据采集和处理1前言在夫兰克2赫兹实验中,我们使用的是南京工学院的FH21型实验仪.该仪器提供两种测量方法:手动逐点测量和自动扫描测量.在逐点测量时,由于曲线起伏较大而测量数据点有限,很难获得准确的特征曲线,而且由于测量时间较长,实验的工作状态(如夫兰克2赫兹管的温度、灯丝发射的电子密度和加速电压等)不断漂移,很难保证测量条件不变,无法确定特征曲线上峰谷点的电压值和获得好的测量数据.加热炉—微电流放大器—信号转换器—A�DD�A接口板—计算机当使用自动扫描测量时,测量时间较短(约几秒的量级),实验的测量条件是基本保持不变,但栅压和板极电流变化太快,无法从仪表上记取测量数据,只能使用XY记录仪画出特征曲线,再从曲线图上测量峰谷点的栅压值.记录仪不仅价格十分昂贵,而且画出的曲线图分辨率也有限,实际上是降低了实验精度.本实验的改进工作包括两大部分:实验装置的改进和数据采集处理程序的编制.改进后的实验装置由五部分组成.A�D2D�A接口板的D�A部分控制栅极电压的扫描,A�D部分测量板极电流.信号转换器将ΛA级的板极电流和50V的栅极电压进行信号变换和隔离后提供给接口板。原实验装置中的加热炉和微电流放大器基本上不做改动,另增加用计算机直接处理由接口采得的数据.数据采集和处理程序,完成扫描参数的设定、栅压自动扫描和板极电流的自动采集、显示特征曲线、计算峰谷值、打印曲线等功能.由于计算机具有快速的计算能力和丰富的图形显示能力,以及它的可编程性,用它来采集测量数据和显示特征曲线,既可以代替XY记录仪使用自动扫描档进行实验,而且可以储存数据,有利于对不同条件下的测量进行对比分析,并且可以在显示器屏上显示实验曲线,或将曲线图打印出来.2实验装置软硬件211信号转换板信号转换板由板极电流放大电路、栅压扫描电路和供电回路组成,见图1.212数据采集和处理程序本程序在对栅压进行自动扫描前可随时设定扫描参数,采集得到的数据以表格和曲线图同时显示,并能计算某点的峰谷值(图2).设定扫描参数:栅极的起始电压、终止电压、扫描点数及扫描速度.自动栅压扫描:程序控制实验装置自动加上变化的栅极电压,并采集板极电流.51物理实验第20卷第2期显示特征曲线:当光标在曲线中移动时,显示曲线光标处对应的栅极电压值.浏览数据:通过上下滚动表格窗口可以浏览数据.读写数据:保存采集到的数据或从磁盘中读入数据进行分析.图1求峰谷值:在特征曲线的某峰谷点上单击鼠标即可自动求得此点所对应的栅极电压.打印数据和曲线:将全部数据或图表输出到打印纸上.图2213扫描电压校正在栅压自动扫描的控制中,由于存在非线性的光电耦合管和三极管,使得整个控制回路存在非线性误差(其实,应该说不管什么仪器均存在非线性误差,只不过有些仪器的非线性误差很小,在实验的允许条件下可以忽略而已).对以上的控制通道如果在电路上进行非线性误差补偿不仅电路复杂,而且也是不现实的.而采用在软件中进行非线性误差纠正却很容易操作.纠正的方法是,根据以上的误差校正对照表,要获得某一栅压值,在图2表格中栅压栏查找到离此点最近的两个数据点,采取线性内插求值的方法,推算相应的D�A值.在程序中以此D�A值就可以获得所需的栅压了.214通过叠代计算峰谷值在特征曲线上某峰谷点附近单击,或按动“求峰谷值”按钮,可以把某一段的峰值或谷值所对应的栅极电压自动求出来,免去手工计算的麻烦.计算机是以一定的步长间隔对栅压进行扫描的,或许某一峰谷值正好在两个扫描点之间,这样就近取哪个点都会有误差,得利用曲线拟合的方法来求得峰谷所对应的点.应该说,只有在峰谷点附近的峰谷曲线才与二次曲线接近.如果单次就定下峰谷点,那么,由于采集的数据存在误差,加上人工确定假设的峰谷点有偏差,会使峰谷点的位置随...
