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单片机静电探针自动测量系统设计

该系统以单片机为HX,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。

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D的促进作用。本文先容的自动测量系统是以单片机为HX,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HX,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###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App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是美信集成半导体企业生产的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ZD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企业生产的功率放大器,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###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App通过串口与系统相连,系统把测量的数据传输给Pc端监控App,有Pc端App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:在云顶国际登录官网的前端加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App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HX,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。

云顶国际登录官网 > 产品资讯 > 日期:2021-12-18 来源:Internet 编辑:yq 浏览量:


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