单片机静电探针自动测量系统设计
Ofweek 2021-10-22

  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。

声明: 本文转载自其它媒体或授权刊载,目的在于信息传递,并不代表本站赞同其观点和对其真实性负责,如有新闻稿件和图片作品的内容、版权以及其它问题的,请联系我们及时删除。(联系我们,邮箱:evan.li@aspencore.com )
0
评论
热门推荐
  • 相关技术文库
  • 单片机
  • 嵌入式
  • MCU
  • STM
  • ARM Cortex系列处理器知识点汇总

    最近因为要为芯片选定核,所以就在了解哪些核合适且性价比好,这是一个需要结合产品各类技术、市场分析的活,看似简单却还是需要一些储备的,今天选了一篇ARM Cortex系列的科普文章与大家分享。 众所周知,英国的ARM公司是嵌入式微处理器世界当中的佼佼者。AR

    05-11
  • 你的CPU属于哈佛结构还是冯诺依曼结构?

    现代的CPU基本上归为冯诺伊曼结构(也称普林斯顿结构)和哈佛结构。 冯洛伊曼结构就是我们所说的X86架构,而哈佛结构就是ARM架构。一个广泛用于桌面端(台式/笔记本/服务器/工作站等),一个雄踞移动领域,我们的手持设备(平板\手机用的大多就是他了)。 01

    05-10
  • 如何批量修改MCU封装管脚定义

    在做产品开发时,为了缩短研发周期,我们一般都是直接找来参考设计做参考。这些参考资料要么是来自原厂的,要么是来自方案商的。  接触过这么多的参考设计资料,发现大部分的资料都有一个通病,就是不少MCU的PIN脚定义都只是标出IO口的定义,其它复用​​​​功能

    05-08
  • MCU为什么要消抖动

    简单的说,进入了电子,不管是学纯模拟,还是学单片机,DSP、ARM等处理器,或者是我们的FPGA,一般没有不用到按键的地方。按键:人机交互控制,主要用于对系统的控制,信号的释放等。因此在这里,FPGA上应用的按键消抖动,也不得不讲! 一、为什么要消抖动 在

    05-07
  • 51单片机的ISP下载知识

    本文详细介绍了串口、51单片机的ISP下载等基础知识,已经学过单片机的也可以看看,加强一下对这方面的了解。 串口 串行接口简称串口,也称串行通信接口,是采用串行通信方式的扩展接口。 我们比较熟悉的USB接口,全名通用串行总线(Universal Serial BUS),就

    05-06
  • 硬件开发如何选择合适的MCU

    点击上方关注我们! 我在做硬件开发时,如果遇到的是一个新产品,新项目,之前没有做过的,没有任何的经验,在选MCU时,我一般是这样操作的。 首先,根据产品的需求,整理出一份硬件规格。比如,电源管理,传感器接口,人机交互接口等。 然后,整理出整个原理

    05-06
  • 单片机的功耗怎么算的?

    单片机的功耗是非常难算的,而且在高温下,单片机的功耗还是一个特别重要的参数。暂且把单片机的功耗按照下面的划分。 暂且把单片机的功耗按照下面的划分。 1.内部功耗(与频率有关) 2.数字输入输出口功耗 2.1输入口 2.2输出高 2.3输出低 3.模拟输入口功耗从

    05-07
  • 嵌入式工程师必备工具:I2C和SPI总线协议

    IIC vs SPI 现今,在低端数字通信应用领域,我们随处可见IIC (Inter-Integrated Circuit) 和 SPI (Serial Peripheral Interface)的身影。原因是这两种通信协议非常适合近距离低速芯片间通信。Philips(for IIC)和Motorola(for SPI) 出于不同背景和市场需求

    04-30
  • 嵌入式面试注意事项

    找工作也是一门技能,有的人很快就找到自己喜欢的工作,有的人找了很久也没找到合适的工作。 下面给大家分享几点找工作过程中存在的“潜规则”内容。 1、面试的本质不是考试,而是告诉面试官你会做什么 经验不够的小伙伴特别容易犯的一个错误,不清楚面试官到

    04-29
  • 为什么需要RTOS?

    很多单片机初学者都是从裸机开始的,裸机确实也能开发出好的产品,但作为一个嵌入式软件工程师,如果只能用裸机开发产品,那肯定是不够的。 要从裸机的思维转变到RTOS的思维,其实需要一个过程,而且开始的一段时间会很痛苦。但过一段时间理解了一些内容,能

    04-28
  • 使用RTOS的8个理由

    嵌入式系统中,有很多方式实现任务调度。功能有限的小系统中,无限循环足够实现系统功能。当软件设计变得庞大且复杂时,设计师应该考虑使用实时操作系统。 下面给大家分享使用RTOS的8个理由: 1.硬实时响应 基于优先级抢占的RTOS,根据任务的实时需求,执行优

    04-26
  • 单片机延时程序,Keil C编译器实现

    应用单片机的时候,经常会遇到需要短时间延时的情况。需要的延时时间很短,一般都是几十到几百微妙(us)。有时候还需要很高的精度,比如用单片机驱动 DS18B20的时候,误差容许的范围在十几us以内,不然很容易出错。这种情况下,用计时器往往有点小题大做。而

    04-26
下载排行榜
更多
广告
X
广告