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          基于單片機的靜電探針自動測量系統(tǒng)設(shè)計

          作者: 時間:2011-06-19 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          引言

            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)。,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。本文介紹的系統(tǒng)是以為核心,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

            本系統(tǒng)以AT89S52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。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(zhǔn)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。

           ?、跀?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(dāng)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(dāng)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(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端實現(xiàn),在此不詳細(xì)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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