基于单片机的静电探针自动测量系统设计

引言

　　静电探针又称langrnuir探针，是一种用来进行等离子体参数测量的基本的诊断工具，通过静电探针的，I-V特性曲线可以计算出等离子体的电子温度、密度、空间电位和悬浮电位等重要参数。静电探针，I-V特性曲线如图1所示。目前，随着等离子体在对金属、微电子、聚合物改性，聚合、生物功能材料相容性处理，低温杀毒以及空间技术等诸多领域的广泛应用。开展静电探针自动测量技术的研究开发工作，对提高等离子体应用研究工作的效率具有一定的促进作用。本文介绍的自动测量系统是以单片机为核心，采用A/D和D/A技术，能够快速、准确地给出静电探针I-V特性曲线。

1 系统概述

　　本自动测量系统以AT89S52单片机为核心，通过D/A转换器、功率放大器后输出±50V的扫描电压加在探针的一端（以双探针为例），同时把另一个探针上流过的微弱电流信号经取样电阻网络转换成电压信号，再经仪用放大器放大，电压转换后，通过A/D转换器进行采样。单片机把采集到的数据通过串口上传给PC机，以便数据的进一步处理。PC端监控软件通过串口向下位机传送命令参数，控制数据的接收和发送，用户使用方便，从而提高了这一领域的自动化水平。

　　系统结构如图2所示。

2 系统硬件设计

　　2.1 扫描电压产生模块

　　根据静电探针测量理论，要获得，I-V特性曲线，需要在探针两端加±50V的扫描电压。该系统通过MAX531产生土2.048 V的电压，经PA81J放大后产生±50V的扫描电压，满足静电探针测量的要求。

　　MAX531是美信集成半导体公司生产的12位串行D/A转换器，采用±5V供电，内置单电源CMOS运算放大器，其最大工作电流仅为260μA，具有很好的电压偏移、增益和线性度，单片机通过SPI接口对其进行控制。

　　MAX531双极性输出接法如图3所示。

　　PA81J是APEX公司生产的功率放大器，双电源供电、耐压高、输出电压范围宽、偏置电流小、输出电流大，典型的应用电路如图4所示。

　　下面给出MAX531的C语言驱动程序：

　　2.2 电流测量模块

　　正常情况下，流过探针的电流大概在10 uA一5 mA范围。因此，需要对所测量的电流信号进行，I-V转换、放大等处理，然后进行A/D转换，这样才能够检测并显示出电流的变化趋势。本系统先通过取样电阻网络，把电流信号变成电压信号，再通过仪用放大器INAl21将测量信号放大到±5 V的范围，INAl21典型应用电路如图5所示。TLCl549输入电压范围为0—5V，需要把±5V电压转化成0～5V电压，然后送给TLCl549采样。如图6所示，

　　下面给出TLCl549的C语言驱动程序：

　　2.3 数据传输模块

　　实际测量时，若不采取必要的措施，探针会将较高的等离子体电位引入测量系统，乃至与之相互连接的PC机系统，从而可能导致系统损坏。为了提高系统的安全性、抗干扰性能及数据传输的可靠性，系统串口部分直接从PC端取电。当串口打开的情况下，RTS和DTR处于5一15 V之间，实际测量的电压在11.5 V左右。通过7805转换后为MAX232提供工作电源，MAX232与单片机之间通过光耦隔开。

　　Pc端监控软件通过串口与系统相连，系统把测量的数据传输给Pc端监控软件，有Pc端软件进行数据的后续处理，比如显示I-V曲线、计算等离子参数等。

　　2.4 系统抗干扰技术

　　等离子体一般是通过高频高压或射频耦合放电产生，测量环境具有非常强的电磁干扰阳1。虽然静电探针测量采用单片机技术，提高了测量的速度，大大减少了人为误差；但要进一步提高测量数据的准确性，保证测量系统的可靠性和适用性，需要引入抗干扰技术。

　　本系统主要采取两种抗干扰技术，即模拟抗干扰技术和数字抗干扰技术。

　　①模拟抗干扰技术：在数据采集的前端加T型LC滤波器，它对射频信号有很大的阻抗。用铁盒封闭测量设备，进行可靠的接地，可有效防止射频的空间耦合干扰。

　　②数字抗干扰技术：本系统采用多点求平均的方法，多点求平均的点数可以通过PC端软件进行设置。此方法在实际的测量中取得了良好的效果，可有效地降低工频干扰的影响。

3 系统测量效果

　　本系统同时适合单探针和双探针测量方式。当采用单探针进行测量时，锯齿波加在探针上，信号接收端接等离子体设备的外壳。测量效果如图7（a）所示。

　　当采用双探针进行测量的时候，锯齿波加在其中的一个探针上，另外一个探针接信号接收端。测量效果如图7（b）所示。所绘制的曲线为矿I-V特性曲线，横坐标为扫描电压值，纵坐标为取样电阻上的电压值。流过探针的电流值可以通过取样电阻上的电压除以取样电阻值得到，这一步变换在PC端实现，在此不详细叙述。

4 结束语

　　该系统以单片机为核心，利用现代A/D、D/A技术，大大缩短了静电探针采集数据的时间。通过针对性的采取一些抗干扰措施，提高了获取数据的可靠性和稳定性，从而为系统地开展等离子体特性的研究提供了保证。该系统已被国内多家高校和研究所采用，并取得了良好的测量效果。