《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于單片機的靜電探針自動測量系統(tǒng)設(shè)計
摘要: 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(shù)等諸多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,。開展靜電探針自動測量技術(shù)的研究開發(fā)工作,,對提高等離子體應(yīng)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(shù),,能夠快速、準確地給出靜電探針I(yè)-V特性曲線,。
Abstract:
Key words :

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(shù)等諸多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,。開展靜電探針自動測量技術(shù)的研究開發(fā)工作,,對提高等離子體應(yīng)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/DD/A技術(shù),,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(luò)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(lǐng)域的自動化水平,。

  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)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(dǎo)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(yīng)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(luò),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(yīng)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(dǎo)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(shù)

  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(shù),,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(shù)

  本系統(tǒng)主要采取兩種抗干擾技術(shù),,即模擬抗干擾技術(shù)和數(shù)字抗干擾技術(shù),。

  ①模擬抗干擾技術(shù):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(shè)備,進行可靠的接地,,可有效防止射頻的空間耦合干擾,。

  ②數(shù)字抗干擾技術(shù):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(shè)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(shè)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(jié)束語

  該系統(tǒng)以單片機為核心,,利用現(xiàn)代A/D,、D/A技術(shù),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。

 

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