引言
靜電探針又稱langrnuir探針,，是一種用來進行等離子體參數(shù)測量的基本的診斷工具,，通過靜電探針的，I-V特性曲線可以計算出等離子體的電子溫度,、密度,、空間電位和懸浮電位等重要參數(shù)。靜電探針,，I-V特性曲線如圖1所示,。目前，隨著等離子體在對金屬,、微電子,、聚合物改性，聚合,、生物功能材料相容性處理,，低溫殺毒以及空間技術等諸多領域的廣泛應用。開展靜電探針自動測量技術的研究開發(fā)工作,，對提高等離子體應用研究工作的效率具有一定的促進作用,。本文介紹的自動測量系統(tǒng)是以單片機為核心，采用A/D和D/A技術,，能夠快速,、準確地給出靜電探針I(yè)-V特性曲線。
1 系統(tǒng)概述
本自動測量系統(tǒng)以AT89S52單片機為核心,，通過D/A轉(zhuǎn)換器,、功率放大器后輸出±50V的掃描電壓加在探針的一端（以雙探針為例），同時把另一個探針上流過的微弱電流信號經(jīng)取樣電阻網(wǎng)絡轉(zhuǎn)換成電壓信號,，再經(jīng)儀用放大器放大,，電壓轉(zhuǎn)換后，通過A/D轉(zhuǎn)換器進行采樣,。單片機把采集到的數(shù)據(jù)通過串口上傳給PC機,，以便數(shù)據(jù)的進一步處理。PC端監(jiān)控軟件通過串口向下位機傳送命令參數(shù),，控制數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送,，用戶使用方便,，從而提高了這一領域的自動化水平。
系統(tǒng)結構如圖2所示,。
2 系統(tǒng)硬件設計
2.1 掃描電壓產(chǎn)生模塊
根據(jù)靜電探針測量理論,，要獲得，I-V特性曲線,，需要在探針兩端加±50V的掃描電壓,。該系統(tǒng)通過MAX531產(chǎn)生土2.048 V的電壓，經(jīng)PA81J放大后產(chǎn)生±50V的掃描電壓,，滿足靜電探針測量的要求,。
MAX531是美信集成半導體公司生產(chǎn)的12位串行D/A轉(zhuǎn)換器，采用±5V供電,，內(nèi)置單電源CMOS運算放大器,，其最大工作電流僅為260μA，具有很好的電壓偏移,、增益和線性度,，單片機通過SPI接口對其進行控制。
MAX531雙極性輸出接法如圖3所示,。
PA81J是APEX公司生產(chǎn)的功率放大器,，雙電源供電、耐壓高,、輸出電壓范圍寬,、偏置電流小、輸出電流大,，典型的應用電路如圖4所示,。
下面給出MAX531的C語言驅(qū)動程序：
2.2 電流測量模塊
正常情況下，流過探針的電流大概在10 uA一5 mA范圍,。因此,，需要對所測量的電流信號進行，I-V轉(zhuǎn)換,、放大等處理,，然后進行A/D轉(zhuǎn)換，這樣才能夠檢測并顯示出電流的變化趨勢,。本系統(tǒng)先通過取樣電阻網(wǎng)絡,，把電流信號變成電壓信號，再通過儀用放大器INAl21將測量信號放大到±5 V的范圍,，INAl21典型應用電路如圖5所示,。TLCl549輸入電壓范圍為0—5V，需要把±5V電壓轉(zhuǎn)化成0～5V電壓，然后送給TLCl549采樣,。如圖6所示,，
下面給出TLCl549的C語言驅(qū)動程序：
2.3 數(shù)據(jù)傳輸模塊
實際測量時，若不采取必要的措施,，探針會將較高的等離子體電位引入測量系統(tǒng),，乃至與之相互連接的PC機系統(tǒng)，從而可能導致系統(tǒng)損壞,。為了提高系統(tǒng)的安全性,、抗干擾性能及數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，系統(tǒng)串口部分直接從PC端取電,。當串口打開的情況下，RTS和DTR處于5一15 V之間,，實際測量的電壓在11.5 V左右,。通過7805轉(zhuǎn)換后為MAX232提供工作電源，MAX232與單片機之間通過光耦隔開,。
Pc端監(jiān)控軟件通過串口與系統(tǒng)相連,，系統(tǒng)把測量的數(shù)據(jù)傳輸給Pc端監(jiān)控軟件，有Pc端軟件進行數(shù)據(jù)的后續(xù)處理,，比如顯示I-V曲線,、計算等離子參數(shù)等。
2.4 系統(tǒng)抗干擾技術
等離子體一般是通過高頻高壓或射頻耦合放電產(chǎn)生,，測量環(huán)境具有非常強的電磁干擾陽1,。雖然靜電探針測量采用單片機技術，提高了測量的速度,，大大減少了人為誤差,；但要進一步提高測量數(shù)據(jù)的準確性，保證測量系統(tǒng)的可靠性和適用性,，需要引入抗干擾技術,。
本系統(tǒng)主要采取兩種抗干擾技術，即模擬抗干擾技術和數(shù)字抗干擾技術,。
?、倌M抗干擾技術：在數(shù)據(jù)采集的前端加T型LC濾波器，它對射頻信號有很大的阻抗,。用鐵盒封閉測量設備,，進行可靠的接地，可有效防止射頻的空間耦合干擾,。
?、跀?shù)字抗干擾技術：本系統(tǒng)采用多點求平均的方法，多點求平均的點數(shù)可以通過PC端軟件進行設置。此方法在實際的測量中取得了良好的效果,，可有效地降低工頻干擾的影響,。
3 系統(tǒng)測量效果
本系統(tǒng)同時適合單探針和雙探針測量方式。當采用單探針進行測量時,，鋸齒波加在探針上,，信號接收端接等離子體設備的外殼。測量效果如圖7（a）所示,。
當采用雙探針進行測量的時候,，鋸齒波加在其中的一個探針上，另外一個探針接信號接收端,。測量效果如圖7（b）所示,。所繪制的曲線為礦I-V特性曲線，橫坐標為掃描電壓值,，縱坐標為取樣電阻上的電壓值,。流過探針的電流值可以通過取樣電阻上的電壓除以取樣電阻值得到，這一步變換在PC端實現(xiàn),，在此不詳細敘述,。
4 結束語
該系統(tǒng)以單片機為核心，利用現(xiàn)代A/D,、D/A技術,，大大縮短了靜電探針采集數(shù)據(jù)的時間。通過針對性的采取一些抗干擾措施,，提高了獲取數(shù)據(jù)的可靠性和穩(wěn)定性,，從而為系統(tǒng)地開展等離子體特性的研究提供了保證。該系統(tǒng)已被國內(nèi)多家高校和研究所采用,，并取得了良好的測量效果,。