基于單片機的靜電探針自動測量系統(tǒng)設(shè)計

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。

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(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(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。