基于單片機的靜電探針自動(dòng)測量系統設計

引言

　　靜電探針又稱(chēng)langrnuir探針，是一種用來(lái)進(jìn)行等離子體參數測量的基本的診斷工具，通過(guò)靜電探針的，I-V特性曲線(xiàn)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。靜電探針，I-V特性曲線(xiàn)如圖1所示。目前，隨著(zhù)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)域的廣泛應用。開(kāi)展靜電探針自動(dòng)測量技術(shù)的研究開(kāi)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(jìn)作用。本文介紹的自動(dòng)測量系統是以單片機為核心，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(xiàn)。

1 系統概述

　　本自動(dòng)測量系統以AT89S52單片機為核心，通過(guò)D/A轉換器、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(shí)把另一個(gè)探針上流過(guò)的微弱電流信號經(jīng)取樣電阻網(wǎng)絡(luò )轉換成電壓信號，再經(jīng)儀用放大器放大，電壓轉換后，通過(guò)A/D轉換器進(jìn)行采樣。單片機把采集到的數據通過(guò)串口上傳給PC機，以便數據的進(jìn)一步處理。PC端監控軟件通過(guò)串口向下位機傳送命令參數，控制數據的接收和發(fā)送，用戶(hù)使用方便，從而提高了這一領(lǐng)域的自動(dòng)化水平。

　　系統結構如圖2所示。

2 系統硬件設計

　　2.1 掃描電壓產(chǎn)生模塊

　　根據靜電探針測量理論，要獲得，I-V特性曲線(xiàn)，需要在探針兩端加±50V的掃描電壓。該系統通過(guò)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(mǎn)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轉換器，采用±5V供電，內置單電源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(xiàn)性度，單片機通過(guò)SPI接口對其進(jìn)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(yǔ)言驅動(dòng)程序：

　　2.2 電流測量模塊

　　正常情況下，流過(guò)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(jìn)行，I-V轉換、放大等處理，然后進(jìn)行A/D轉換，這樣才能夠檢測并顯示出電流的變化趨勢。本系統先通過(guò)取樣電阻網(wǎng)絡(luò )，把電流信號變成電壓信號，再通過(guò)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(yǔ)言驅動(dòng)程序：

　　2.3 數據傳輸模塊

　　實(shí)際測量時(shí)，若不采取必要的措施，探針會(huì )將較高的等離子體電位引入測量系統，乃至與之相互連接的PC機系統，從而可能導致系統損壞。為了提高系統的安全性、抗干擾性能及數據傳輸的可靠性，系統串口部分直接從PC端取電。當串口打開(kāi)的情況下，RTS和DTR處于5一15 V之間，實(shí)際測量的電壓在11.5 V左右。通過(guò)7805轉換后為MAX232提供工作電源，MAX232與單片機之間通過(guò)光耦隔開(kāi)。

　　Pc端監控軟件通過(guò)串口與系統相連，系統把測量的數據傳輸給Pc端監控軟件，有Pc端軟件進(jìn)行數據的后續處理，比如顯示I-V曲線(xiàn)、計算等離子參數等。

　　2.4 系統抗干擾技術(shù)

　　等離子體一般是通過(guò)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(yáng)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(jìn)一步提高測量數據的準確性，保證測量系統的可靠性和適用性，需要引入抗干擾技術(shù)。

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

　?、倌M抗干擾技術(shù)：在數據采集的前端加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(jìn)行可靠的接地，可有效防止射頻的空間耦合干擾。

　?、跀底挚垢蓴_技術(shù)：本系統采用多點(diǎn)求平均的方法，多點(diǎn)求平均的點(diǎn)數可以通過(guò)PC端軟件進(jìn)行設置。此方法在實(shí)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 系統測量效果

　　本系統同時(shí)適合單探針和雙探針測量方式。當采用單探針進(jìn)行測量時(shí)，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(jìn)行測量的時(shí)候，鋸齒波加在其中的一個(gè)探針上，另外一個(gè)探針接信號接收端。測量效果如圖7（b）所示。所繪制的曲線(xiàn)為礦I-V特性曲線(xiàn)，橫坐標為掃描電壓值，縱坐標為取樣電阻上的電壓值。流過(guò)探針的電流值可以通過(guò)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(shí)現，在此不詳細敘述。

4 結束語(yǔ)

　　該系統以單片機為核心，利用現代A/D、D/A技術(shù)，大大縮短了靜電探針采集數據的時(shí)間。通過(guò)針對性的采取一些抗干擾措施，提高了獲取數據的可靠性和穩定性，從而為系統地開(kāi)展等離子體特性的研究提供了保證。該系統已被國內多家高校和研究所采用，并取得了良好的測量效果。