基于單片機(jī)的靜電探針自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)

引言

靜電探針又稱langrnuir探針，是一種用來進(jìn)行等離子體參數(shù)測(cè)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(jì)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(duì)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(dòng)測(cè)量技術(shù)的研究開發(fā)工作，對(duì)提高等離子體應(yīng)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(cè)量系統(tǒng)是以單片機(jī)為核心，采用A/D和D/A技術(shù)，能夠快速、準(zhǔn)確地給出靜電探針I(yè)-V特性曲線。

1 系統(tǒng)概述

本自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)以AT89S52單片機(jī)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(shí)把另一個(gè)探針上流過的微弱電流信號(hào)經(jīng)取樣電阻網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，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(jìn)行采樣。單片機(jī)把采集到的數(shù)據(jù)通過串口上傳給PC機(jī)，以便數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理。PC端監(jiān)控軟件通過串口向下位機(jī)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(dòng)化水平。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 掃描電壓產(chǎn)生模塊

根據(jù)靜電探針測(cè)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(cè)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(yùn)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(jī)通過SPI接口對(duì)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(yīng)用電路如圖4所示。

下面給出MAX531的C語(yǔ)言驅(qū)動(dòng)程序：

2.2 電流測(cè)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(duì)所測(cè)量的電流信號(hào)進(jìn)行，I-V轉(zhuǎn)換、放大等處理，然后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，這樣才能夠檢測(cè)并顯示出電流的變化趨勢(shì)。本系統(tǒng)先通過取樣電阻網(wǎng)絡(luò)，把電流信號(hào)變成電壓信號(hào)，再通過儀用放大器INAl21將測(cè)量信號(hào)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(yǔ)言驅(qū)動(dòng)程序：

2.3 數(shù)據(jù)傳輸模塊

實(shí)際測(cè)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(cè)量系統(tǒng)，乃至與之相互連接的PC機(jī)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)目煽啃裕到y(tǒng)串口部分直接從PC端取電。當(dāng)串口打開的情況下，RTS和DTR處于5一15 V之間，實(shí)際測(cè)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(jī)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(cè)量的數(shù)據(jù)傳輸給Pc端監(jiān)控軟件，有Pc端軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的后續(xù)處理，比如顯示I-V曲線、計(jì)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(cè)量環(huán)境具有非常強(qiáng)的電磁干擾陽(yáng)1。雖然靜電探針測(cè)量采用單片機(jī)技術(shù)，提高了測(cè)量的速度，大大減少了人為誤差;但要進(jìn)一步提高測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，保證測(cè)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(duì)射頻信號(hào)有很大的阻抗。用鐵盒封閉測(cè)量設(shè)備，進(jìn)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(diǎn)求平均的方法，多點(diǎn)求平均的點(diǎn)數(shù)可以通過PC端軟件進(jìn)行設(shè)置。此方法在實(shí)際的測(cè)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(cè)量效果

本系統(tǒng)同時(shí)適合單探針和雙探針測(cè)量方式。當(dāng)采用單探針進(jìn)行測(cè)量時(shí)，鋸齒波加在探針上，信號(hào)接收端接等離子體設(shè)備的外殼。測(cè)量效果如圖7(a)所示。

當(dāng)采用雙探針進(jìn)行測(cè)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(hào)接收端。測(cè)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(biāo)為掃描電壓值，縱坐標(biāo)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(shí)現(xiàn)，在此不詳細(xì)敘述。

4 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)以單片機(jī)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(shí)間。通過針對(duì)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(guó)內(nèi)多家高校和研究所采用，并取得了良好的測(cè)量效果。