基于单片机的静电探针自动测量系统

　　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。