CN207366633U - 等离子体探针测量控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种等离子体探针测量控制系统，包括连接PC机的主控模块，连接主控模块电压输出模块以及连接电压输出模块的探针电压电流检测模块；探针电压电流检测模块的输出端连接主控模块；本实用新型基于根据正负极进行串联的第一开关电源、第二开关电源，主控模块控制的电压扫描范围大，比传统的测量设备扫描电压幅度更高；基于本实用新型，可以获得对等离子体准确、精密的测量数据源。抗干扰能力强、测量精度更高，并且可选择设置传统的手动扫描或自动扫描，电路相对简单。

Description

等离子体探针测量控制系统

技术领域

本实用新型涉及电子电路技术领域，特别是涉及一种等离子体探针测量控制系统。

背景技术

Langmuir探针测量技术是等离子体参数测试技术，随着科技的发展，等离子体刻蚀技术、等离子体化学气相淀积(PVCD)技术广泛应用于彩色显示屏、太阳能电池等功能薄膜工艺及运用于医疗用等离子设备生产研究当中，其产品加工精度的高低，与等离子中的离子和电子密度，能量分布和平均能量等参数直接相关，所以要对等离子的参数进行定量的测量。

在实现过程中，发明人发现传统技术中至少存在如下问题：现今已研发出来的类似仪器，普遍的电压扫描范围较窄，电路复杂成本高，大大影响了测量精度。

发明内容

基于此，有必要针对传统技术电压扫描范围窄且测量精度低的问题，提供一种等离子体探针测量控制系统。

为了实现上述目的，本实用新型实施例提供了一种等离子体探针测量控制系统，包括连接PC机的主控模块，连接主控模块电压输出模块以及连接电压输出模块的探针电压电流检测模块；探针电压电流检测模块的输出端连接主控模块；

电压输出模块包括正负电压输出单元以及输出放大单元；正负电压输出单元包括根据正负极进行串联第一开关电源、第二开关电源；输出放大单元包括一级放大电路和二级放大电路；

一级放大电路包括第一级放大器，二级放大电路包括第二级放大器；第一级放大器的第一输入端连接主控模块的模拟信号输出端，第二输入端接地，输出端连接第二级放大器的第一输入端；第二级放大器的第二输入端接地，输出端连接探针电压电流检测模块，第一电源端连接第一开关电源、第二电源端连接第二开关电源。

在其中一个实施例中，正负电压输出单元还包括第一熔断器、第一抗干扰电路、第二熔断器以及第二抗干扰电路；

第一抗干扰电路包括第一变压器、第一有极电容、第一去耦电容；第一开关电源的负极通过第一熔断器连接第一变压器的第一输入端；第一变压器的第二输入端连接第一有极电容的负极、第一去耦电容的一端、第一电源端，第一输出端接地，第二输出端接地；第一有极电容的正极、第一去耦电容的另一端接地；

第二抗干扰电路包括第二变压器、第二有极电容、第二去耦电容；第二开关电源的正极通过第二熔断器连接第二变压器的第一输入端；第二变压器的第二输入端连接第二有极电容的正极、第二去耦电容的一端、第二电源端，第一输出端接地，第二输出端接地；第二有极电容的负极、第二去耦电容的另一端接地。

在其中一个实施例中，第一开关电源为300V输出的开关电源模块，第二开关电源为300V输出的开关电源模块；第一熔断器为2A保险管，第二熔断器为2A保险管；第一变压器为低频变压器，第二变压器为低频变压器。

在其中一个实施例中，一级放大电路还包括第一限流电阻；二级放大电路还包括第二限流电阻、自恢复保险丝以及高频旁路电容；第一级放大器为OP07运算放大器；第二级放大器为PA94功率运算放大器；

OP07运算放大器的反相输入端通过第一限流电阻连接主控模块的模拟信号输出端，正相输入端接地，输出端连接PA94功率运算放大器的负输入端；PA94功率运算放大器的限流电阻输入端连接第二限流电阻，正输入端接地，输出端通过自恢复保险丝连接探针电压电流检测模块、高频旁路电容的一端；高频旁路电容的另一端接地。

在其中一个实施例中，自恢复保险丝为KR/RF/WH600-110型元件；高频旁路电容为无极性聚丙烯滤波电容。

在其中一个实施例中，探针电压电流检测模块包括分压电路、探针电压检测电路、探针电流采样电路以及探针电流检测电路；

第二级放大器的输出端通过分压电路连接探针电压检测电路的输入端；探针电压检测电路的输出端连接主控模块的电压检测端口；

第二级放大器的输出端通过探针电流采样电路连接探针电流检测电路的输入端；探针电流检测电路的输出端连接主控模块的电流检测端口。

在其中一个实施例中，分压电路包括第一分压电阻、第二分压电阻；探针电压检测电路包括第一OP07运算放大器、第二OP07运算放大器；

第一分压电阻的一端连接第二级放大器的输出端、另一端通过第二分压电阻接地；第一OP07运算放大器的正相输入端连接在第一分压电阻和第二分压电阻之间，输出端连接第二OP07运算放大器的正相输入端、并与第一OP07运算放大器的反相输入端相连接；第二OP07运算放大器的输出端连接主控模块的电压检测端口、并与第二OP07运算放大器的反相输入端相连接；

探针电流采样电路包括精密电阻；探针电流检测电路包括第三OP07运算放大器、第四OP07运算放大器；精密电阻的一端通过探针BNC接头连接第二级放大器的输出端、另一端接地；第三OP07运算放大器的正相输入端连接在探针BNC接头和精密电阻之间，输出端连接第四OP07运算放大器的正相输入端、并与第三OP07运算放大器的反相输入端相连接；第四OP07运算放大器的输出端连接主控模块的电流检测端口、并与第四OP07运算放大器的反相输入端相连接。

在其中一个实施例中，主控模块为MSP430系列单片机；MSP430系列单片机的USART串口与PC机的RS232接口相连接。

在其中一个实施例中，还包括通信单元；主控模块通过通信单元连接PC机。

在其中一个实施例中，主控模块为MSP430系列单片机；通信单元为FT232BM芯片。

本实用新型具有如下优点和有益效果：

本实用新型等离子体探针测量控制系统，基于根据正负极进行串联的第一开关电源、第二开关电源，可将串联中间节点作为参两电源中间的零点，提供测量器扫描电压的正负电压输出单元，从而使电压输出模块得到对于零点的正负电源，主控模块控制的电压扫描范围大，比传统的测量设备扫描电压幅度更高；基于本实用新型精确的探针电压电流检测模块，可以获得对等离子体准确、精密的测量数据源。本实用新型的抗干扰能力强、测量精度更高，并且可选择设置传统的手动扫描或自动扫描，电路相对简单。

附图说明

通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明，本发明的上述及其它目的、特征和优势将变得更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分，且并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为本实用新型等离子体探针测量控制系统实施例1的结构示意图；

图2为本实用新型等离子体探针测量控制系统中正负电压输出单元的具体结构示意图；

图3为本实用新型等离子体探针测量控制系统中输出放大单元的具体结构示意图；

图4为本实用新型等离子体探针测量控制系统中探针电压电流检测模块的具体结构示意图；

图5为本实用新型等离子体探针测量控制系统一具体实施例的结构示意图；

图6为本实用新型等离子体探针测量控制系统中主控电路板供电电源电路示意图；

图7为本实用新型等离子体探针测量控制系统中主控模块供电电路示意图；

图8为本实用新型等离子体探针测量控制系统中ADC/DAC电压基准源电路示意图；

图9为本实用新型等离子体探针测量控制系统中报警电路示意图；

图10为本实用新型等离子体探针测量控制系统中复位电路示意图。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的首选实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件并与之结合为一体，或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“第一”、“第二”、“一端”、“另一端”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本实用新型等离子体探针测量控制系统一应用场景说明：

传统测量仪器，由于在设计时无法考量到整体电路的结构及元件参数的选择，整个电路的结构及电子元件的耐压能力及所提供扫描电压的供电源升压能力不够，而在测量方面，传统技术也易出现测试数据采集数量的成倍增加等问题，导致传统仪器普遍的电压扫描范围较窄(在-150V～+150V以下)，电路复杂成本高，大大影响了测量精度。

本实用新型采用主控模块控制DA(数字/模拟)输出，然后将DA输出经过多级放大后向Langmuir探针提供扫描电压。通过电阻分压，将分压得到的电压经AD(模拟/数字)转换后，测出探针电压值。通过将低阻值的精密电阻与探针串联，将经过探针的电流转换为精密电阻两端的电压，再经过AD转换，测得流过探针的电流值。主控模块将测得的电压电流值通过串口送入PC机进行数据记录及处理。

本实用新型等离子体探针测量控制系统，基于根据正负极进行串联的第一开关电源、第二开关电源，可将串联中间节点作为参两电源中间的零点，提供测量器扫描电压的正负电压输出单元，从而使电压输出模块得到对于零点的正负电源，主控模块控制的电压扫描范围大，比传统的测量设备扫描电压幅度更高，达到600V(-300V～+300V)，可以扩充的电压范围更大最大可以扩展到900V。；基于本实用新型精确的探针电压电流检测模块(电压检测精度可达0.15V，电流检测精度可达0.05mA)，可以获得对等离子体准确、精密的测量数据源。本实用新型的抗干扰能力强、测量精度更高(测量获得等离子体“伏—安”特性曲线数据，电压及电流检测数据能够分别细分至4096个测试点)，并且可选择设置传统的手动扫描或自动扫描，电路相对简单。

本实用新型等离子体探针测量控制系统实施例1：

为了传统技术电压扫描范围窄且测量精度低的问题，本实用新型提供了一种等离子体探针测量控制系统实施例1，图1为本实用新型等离子体探针测量控制系统实施例1的结构示意图；如图1所示，可以包括连接PC机的主控模块，连接主控模块电压输出模块以及连接电压输出模块的探针电压电流检测模块；探针电压电流检测模块的输出端连接主控模块；

电压输出模块包括正负电压输出单元以及输出放大单元；正负电压输出单元包括根据正负极进行串联第一开关电源、第二开关电源；输出放大单元包括一级放大电路和二级放大电路；

一级放大电路包括第一级放大器，二级放大电路包括第二级放大器；第一级放大器的第一输入端连接主控模块的模拟信号输出端，第二输入端接地，输出端连接第二级放大器的第一输入端；第二级放大器的第二输入端接地，输出端连接探针电压电流检测模块，第一电源端连接第一开关电源、第二电源端连接第二开关电源。

具体而言，本实用新型针对扫描电压的电源选择，选用二个开关电源(第一开关电源和第二开关电源)，并将两个电源串连起来，取中间为参考端，形成输出正负电源；使得主控模块控制的电压扫描范围大，比传统的测量设备扫描电压幅度更高，可以扩充的电压范围更大。基于本实用新型精确的探针电压电流检测模块，可以获得对等离子体准确、精密的测量数据源。本实用新型的抗干扰能力强、测量精度更高，并且可选择设置传统的手动扫描或自动扫描，电路相对简单。

在一个具体的实施例中，正负电压输出单元还包括第一熔断器、第一抗干扰电路、第二熔断器以及第二抗干扰电路；

第一抗干扰电路包括第一变压器、第一有极电容、第一去耦电容；第一开关电源的负极通过第一熔断器连接第一变压器的第一输入端；第一变压器的第二输入端连接第一有极电容的负极、第一去耦电容的一端、第一电源端，第一输出端接地，第二输出端接地；第一有极电容的正极、第一去耦电容的另一端接地；

第二抗干扰电路包括第二变压器、第二有极电容、第二去耦电容；第二开关电源的正极通过第二熔断器连接第二变压器的第一输入端；第二变压器的第二输入端连接第二有极电容的正极、第二去耦电容的一端、第二电源端，第一输出端接地，第二输出端接地；第二有极电容的负极、第二去耦电容的另一端接地。

具体而言，图2为本实用新型等离子体探针测量控制系统中正负电压输出单元的具体结构示意图；如图2所示，提供测量器扫描电压的正负电压输出的电路，可以将两个开关电源(即第一开关电源J9、第二开关电源J10)根据正负极进行串联，并将串联中间节点作为参两电源中间的零点，从而得到对于零点的正负电源。在电路中，在负电压输出端(即-300V输出端)接入第一熔断器(F1)在正电压输出端(即+300V输出端)接入第二熔断器(F2)，以防止短路或电流载，对仪器以及电源电路造成损坏。为减少电磁干扰影响测量精度，本实用新型的第一抗干扰电路包括第一变压器(T1)、第一有极电容(C22)，第二抗干扰电路第二变压器(T2)、第二有极电容(C23)，共同实现抗干扰陷波，以抑制共模干扰，同时第一抗干扰电路还包括第一去耦电容(C20)，第二抗干扰电路还包括第二去耦电容(C21)，作为电源的去耦电容，分别对正负电源分别进行抗干扰处理。并用4只LED灯(D21、D22、D23和D24)分别作为电源工作状态指示灯。

其中，PGND(POWER GND)指电源地；LGND指防雷保护地。

优选的，第一开关电源(J9)为300V输出的开关电源模块，第二开关电源(J10)为300V输出的开关电源模块；第一熔断器(F1)为2A保险管，第二熔断器(F2)为2A保险管；第一变压器(T1)为低频变压器，第二变压器(T2)为低频变压器。

即基于本实用新型，将二个300V输出的开关电源模块串连起来，取中间为参考端，形成输出-300V～+300V的正负电源，比传统的测量设备扫描电压幅度更高，达到600V(-300V～+300V)，可以扩充的电压范围更大最大可以扩展到900V。本实用新型的抗干扰能力强，通过引入抗干扰陷波电路，减少电磁干扰影响测量精度，扫描电压产生电路中包含T1、C22和T2、C23的抗干扰陷波电路以抑制共模干扰，C20、C21作为电源的去耦电容，分别对正负电源分别进行抗干扰处理。

进一步的，在一个具体的实施例中，一级放大电路还包括第一限流电阻；二级放大电路还包括第二限流电阻、自恢复保险丝以及高频旁路电容；第一级放大器为OP07运算放大器；第二级放大器为PA94功率运算放大器；

OP07运算放大器的反相输入端通过第一限流电阻连接主控模块的模拟信号输出端，正相输入端接地，输出端连接PA94功率运算放大器的负输入端；PA94功率运算放大器的限流电阻输入端连接第二限流电阻，正输入端接地，输出端通过自恢复保险丝连接探针电压电流检测模块、高频旁路电容的一端；高频旁路电容的另一端接地。

具体而言，本实用新型的输出放大单元可采用两级放大电路，包括DA输出一级放大电路和输出二级放大电路；图3为本实用新型等离子体探针测量控制系统中输出放大单元的具体结构示意图；如图3所示，为了满足高电压输出的要求，对于减法电路，本实用新型采用OP07低噪声高精度运算放大器来实现第一级放大器的功能(即实现DA输出一级放大电路的功能)，要获得正负大电压输出范围的输出，必需将DA输出电压进行放大，本实用新型采用PA94功率运算放大器来实现第二放大器的功能(即实现输出二级放大电路的功能)，其电源电压可达900V(±450V)，最高输出电流可达200mA持续电流可达100mA。

其中，OP07低噪声高精度运算放大器具有很低的输入失调电压和漂移，使其适合用作本实用新型的前级放大器，放大微弱信号，并且无需考虑调零和频率问题就能满足要求。本实用新型各实施例中OP07的部分技术参数说明：低输入失调电压：75uV(最大)，低失调电压温漂：1.3uV/℃(最大)，低失调电压时漂：1.5uV/月(最大)，低噪声：0.6uV P-P(最大)，宽输入电压范围：±14V，宽电源电压范围：±3V～±18V。

如图3所示，以主控模块为MSP430单片机为例，MSP430单片机DAC采用外部2.5V参考电压，其输出电压范围为0～2.5V，为了得到负的电压，本实用新型采取减去一个电压值的方式。此处，设减去的电压值为REF2312电压基准源输出的1.25V电压，

由(0～2.5V)－1.25V＝(-1.25V～+1.25V)达到要求。电压基准源输出(DA_OUT)，经第一限流电阻(R27)输入到IC OP07(即OP07低噪声高精度运算放大器)进行一级电压放大，而本实用新型在后级输出的时，需要在后级运算放大器的反相端进行输入，所以输入的信号由IC OP07的2脚(即反相输入端)输入，并需要对一级放大电路再反相一次。于是变成－(0～2.5V)+1.25V＝(+1.25V～－1.25V)，因OP07放大器的供电电压为±5V，为充分利用第一级放大器的放大能力，现将输出电压再放大三倍，变为+3.75V～－3.75V。并由ICOP07的6脚输出至二级放大器输入端。R26为反馈电阻。

因OP07放大器的供电电压为±5V，为充分利用第一级放大器的放大能力，现将输出电压再放大三倍，变为+3.75V～－3.75V。并由IC OP07的6脚输出至二级放大器输入端。其中，R26为反馈电阻。

针对二级放大电路的电路，为了实现高电压输出，例如输出电压为+300V和－300V，压差为600V。本实用新型采用PA94精密功率运算放大器实现相应的功能。

其中，PA94作为一款高电压、MOSFET的低成本运算放大器，应用于本实用新型时，其持续输出电流可达100mA，驱动容性负载时脉冲电流达200mA。其安全工作区无二次击穿的限制。通过选择限流电阻，可以驱动不同形式的负载。通过外部补偿，可以为特定的应用选择合适的带宽和转换速率。其封装可使芯片占用最小的空间，其热隔离垫片可以有效阻止管脚与散热器之间产生电弧。本实用新型各实施例中PA94的部分参数说明：高电压—900V(±450V)，高转换速率—500V/μS，高输出电流—100mA，可流限止可调。

同样以主控模块为MSP430单片机为例，首先确定限流电阻R42。由R_LIM＝0.7/I_LIM取电流为100mA，则R_LIM＝7Ω，在此取6.8Ω。从第一级放大器放大后的电压，由IC OP07R的6脚输出至二级放大器(即PA94)的输入端第二限流电阻(R40)的左端，其第一级运放的输出范围为+3.75V～－3.75V，要达到±300V的输出，则第二级放大的增益为300/3.75＝80。PA94的负端反馈的电流不能过大，在此大概取1mA，当最大输出为300V时，反馈电阻为300K。在此取反馈电阻R39为240K，则R40的电阻值为240K/80＝3K。为便于以后调试，反馈电阻R39使用可调电阻。

优选的，自恢复保险丝为KR/RF/WH600-110型元件；高频旁路电容为无极性聚丙烯滤波电容。

具体而言，第二级放大的增益为80，相位补偿电容为C24为4.7pF。在PA94输出端，为防止电流过大对运放的损坏，本实用新型串联一只自恢复保险丝(F6)，在此选用KR/RF/WH600-110，应用于本实用新型的技术参数如下：RF/WHPTC元件在25℃环境温度下的最大的工作电流I_h＝0.11A，RF/WHPTC元件在25℃环境温度下启动保护的最小电流I_t＝0.22A，RF/WHPTC元件的最大工作电压V_max＝600V，RF/WHPTC元件工作前的初始最小阻值R_min＝7Ω；

为防止高压的反峰电压击穿放大器，本实用新型在输出端加一无极性聚丙烯滤波电容C25作为高频旁路电容，最终获得－300V至+300V的扫描电压，在OUT口输出并送去探针检测电路。

基于本实用新型各实施例中的电压输出模块，使得主控模块控制的电压扫描范围大。比传统的测量设备扫描电压幅度更高，达到600V(-300V～+300V)，可以扩充的电压范围更大最大可以扩展到900V。抗干扰能力强。通过引入抗干扰陷波电路，减少电磁干扰影响测量精度。

同时，在一个具体的实施例中，探针电压电流检测模块可以包括分压电路、探针电压检测电路、探针电流采样电路以及探针电流检测电路；

第二级放大器的输出端通过分压电路连接探针电压检测电路的输入端；探针电压检测电路的输出端连接主控模块的电压检测端口；

第二级放大器的输出端通过探针电流采样电路连接探针电流检测电路的输入端；探针电流检测电路的输出端连接主控模块的电流检测端口。

优选的，分压电路包括第一分压电阻、第二分压电阻；探针电压检测电路包括第一OP07运算放大器、第二OP07运算放大器；

第一分压电阻的一端连接第二级放大器的输出端、另一端通过第二分压电阻接地；第一OP07运算放大器的正相输入端连接在第一分压电阻和第二分压电阻之间，输出端连接第二OP07运算放大器的正相输入端、并与第一OP07运算放大器的反相输入端相连接；第二OP07运算放大器的输出端连接主控模块的电压检测端口、并与第二OP07运算放大器的反相输入端相连接；

探针电流采样电路包括精密电阻；探针电流检测电路包括第三OP07运算放大器、第四OP07运算放大器；精密电阻的一端通过探针BNC接头连接第二级放大器的输出端、另一端接地；第三OP07运算放大器的正相输入端连接在探针BNC接头和精密电阻之间，输出端连接第四OP07运算放大器的正相输入端、并与第三OP07运算放大器的反相输入端相连接；第四OP07运算放大器的输出端连接主控模块的电流检测端口、并与第四OP07运算放大器的反相输入端相连接。

具体而言，本实用新型的电压检测选用电阻分压的方案，由于所检测电压值有正负，而AD只能检测正的电压值，本实用新型通过加法运算，将输出电压加上一个正电压后进行AD转换。图4为本实用新型等离子体探针测量控制系统中探针电压电流检测模块的具体结构示意图；如图4所示，扫描电压从二级放大器的OUT口输入到电压、电流检测电路的“OUT”口输入到第一分压电阻(R30)的上端。电压检测电路在此选用电压进行分压，第一分压电阻(R30)、第二分压电阻(R31)构成分压电路。

为了将R31上的电压可能范围转换为ADC的可测值范围，此处通过OP07运算放大器，进行加法运算。检测的电压信号经由两级IC OP07放大电路，即由第一OP07运算放大器(U3)、第二OP07运算放大器(U4)进行的两级放大；最后由第二OP07运算放大器(U4)放大后，由第二OP07运算放大器的6脚(输出端)经由R14所连接的A_VOL(电压检测端口)输出到主控模块中，从而实现了扫描电压的检测。

进一步的，针对电流检测，本实用新型选用低电阻值的精密电阻，将该电阻与探针串联，这样就可以将流过探针的电流转换成电压，然后进行AD转换。同样，电流值有正有负，本实用新型通过加法运算，将由负的电流值转换成的负电压值转成正的电压后进行AD转换。如图4所示，在电压检测电路工作的同时，要通过探针电流采样电路将流过探针BNC的电流转换为电压进行测量；具体的，可以通过串联在探针电路中的精密电阻(R34)进行电流取样；本实用新型选取低阻值精密电阻实现相应的功能；

为充分利用ADC的可测电压值范围，同前面电压检测，将电压转换为正电压进行AD转换。同样经过两级运算放大器放大后的信号，即由第三OP07运算放大器(U5)、第四OP07运算放大器(U6)，最终由第四OP07运算放大器(U6)的6脚(输出端)经由R25所连接的A_CUL(主控模块的电压检测端口)输出到主控模块中，从而实现了扫描电流的检测。

本实用新型各实施例中的探针电压电流检测模块，包含精确的电压、电流检测电路(电压检测精度可达0.15V，电流检测精度可达0.05mA)。从信号取样及信号放大的总体电路设计，使得本实用新型能够获得对等离子体准确、精密的测量数据源。测量精度更高(测量获得等离子体“伏—安”特性曲线数据，电压及电流检测数据能够分别细分至4096个测试点)，并且可选择设置传统的手动扫描或自动扫描，电路相对简单。

本实用新型等离子体探针测量控制系统一具体实施例：

为了进一步阐述本实用新型的技术方案，同时为了解决传统技术电压扫描范围窄且测量精度低的问题，特以MSP430系列单片机的主控模块为例，说明本实用新型等离子体探针测量控制系统的具体工作流程：

图5为本实用新型等离子体探针测量控制系统一具体实施例的结构示意图。如图5所示，本实用新型采用单片机控制DA输出，然后将DA输出经过多级放大后向Langmuir探针提供扫描电压。通过电阻分压，将分压得到的电压经AD转换后，测出探针电压值。通过将低阻值的精密电阻与探针串联，将经过探针的电流转换为精密电阻两端的电压，再经过AD转换，则能测得流过探针的电流值。单片机将测得的电压电流值通过串口送入电脑进行数据记录及处理。

1、提供扫描电压的电源选择：购置二个300V输出的开关电源模块，并将两个电源串连起来，取中间为参考端，形成输出-300V～+300V的正负电源。

2、主控芯片方案选择：本实用新型采用单片机控制DA(数字/模拟)输出，然后通过AD(模拟/数字)采集电压电流信号。经过综合测试比较各种单片机及DA转换器和AD转换器，本实用新型采用带有DAC(Digital to analog converter将数字信号转换为模拟信号的变换器)和ADC(Analog-to-Digital Converter，将模拟信号转换为数字信号的变换器)，都为12bits(比特，binary system)的MSP430F15X/F16X系列单片机，该系列单片机为超低功耗的16位混合信号处理器，有8路快速的12位A/D转换器，双路12位D/A转换器，两个通用连续同步/非同步通信接口(USART)。

由600V/4096＝0.15V得电压输出精度和电压检测精度可达0.15V。

由200mA/4096＝0.05mA得：电流检测精度可达0.05mA。

即本实用新型测量电路中单片机的DA转换速度可达500KSPS(kilo Samples perSecond，采样千次每秒)，AD转换速度可达200KSPS。

优选的(需要说明的是，以下关于各接口的命名以及参数，均可依据现有的MSP430系列单片机接口的示意图给予说明，本实用新型不再重复赘述或附上相关附图)，应用于本实用新型的MSP430F15X/16X系列单片机部分技术参数包括以下内容：高效的数据处理能力(作为16位的单片机，采用精简指令集RISC结构，寻址方式丰富)；运算速度快(在8MHz晶体驱动下指令周期为125ns)；中断源多，低功耗；

此外，应用于本实用新型的MSP430系列单片机，具有丰富的片上外围模块：例如片内外设，包括看门狗(WDT)、模拟比较器A、定时器A(Timer A)、定时器B(Timer B)、串口0、1(USART0、1)、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、IIC总线直接数据存取(DMA)、端口O(P0)、端口1～6(P1～P6)、基本定时器(Basic Timer)等的一些外围模块的不同组合。适应工业级运行环境：MSP430系列器件为工业级，运行环境温度为-40～+85摄氏度。

具体的，本实用新型选用MSP430的DA转换器通道0(P6.6)进行DA转换。使用外部2.5V参考电压。在LFXT1接口接8M、X1为晶体振荡器，与C17、C18构成振荡电路，使其工作在高速振荡状态。P1.3、P1.4接发光二极管进行仪器运行的状态指示。分别指示仪器运行的自动扫描状态和手动扫描状态。

进一步的，本实用新型采用单片机MSP430的AD通道0和1(P6.0和P6.1)分别为进行电压(A_VOL)和电流(A_CUR)检测的端口。P4.3到P5.2接LCD数据口，P4.0到P4.3分别接LCD的控制端口。用电位器调节LCD的背光亮度。使用串口接收端(P3.5)。P1.5到P2.0端口接按钮，其中P1.6(DEC)为“减”按钮，P1.7(INC)为“增”按钮，P2.0(A/U)为“自动/手动”切换按钮。按钮P1.5为以后扩展需要暂留未定义。使用P2.2到P2.4接口的比较器功能，以控制蜂鸣器，当输出电流过大时，蜂鸣器报警。使用P3.4(UTXD0)的串口功能进行数据的发送。

3、放大电路方案选择：由于MSP430DA输出的电压范围为0V～Vref，要得到正负可调的电压，需要对电压进行减法运算。例如，DA输出范围为0～+2.5V，

由(0～+2.5V)－1.25V＝(-1.25V～+1.25V)将DA输出电压减去1.25V后，得：-1.25V～+1.25V的输出范围，实现了正负电压输出的可调。

对于减法电路，选择运算放大器来实现。本实用新型选择OP07低噪声高精度运算放大器。要获得正负大电压输出范围的输出，必需将DA输出电压进行放大。本实用新型采用PA94功率运算放大器。

4、电压、电流检测电路方案选择：

针对电压检测，本实用新型选用电阻分压的方案，由于所检测电压值有正负，而AD只能检测正的电压值，本实用新型通过加法运算，将输出电压加上一个正电压后进行AD转换。

针对电流检测，本实用新型选用低电阻值的精密电阻，将该电阻与探针串联，能够将流过探针的电流转换成电压，然后进行AD转换。同样，电流值有正有负，本实用新型通过加法运算，将由负的电流值转换成的负电压值转成正的电压后进行AD转换。设：精密电阻取为0.5Ω，流过100mA的电流值，由0.5Ω×100mA＝0.05V，得：电阻上分压仅为0.05V，低于电压检测的精度，其对电压检测的影响可以忽略不计。

5、通讯电路方案选择：在一个具体的实施例中，主控模块为MSP430系列单片机；MSP430系列单片机的USART串口与PC机的RS232接口相连接。在一个具体的实施例中，本实用新型还可以包括通信单元；主控模块通过通信单元连接PC机。优选的，主控模块为MSP430系列单片机；通信单元为FT232BM芯片。

具体而言，本实用新型可以采用如下两种方式与PC机进行通讯：①用串口与PC通信：MSP430系列单片机自带多功能串口(USART)，可实现异步、同步等通信方式，可以选择九针串口(RS232接口)直接与PC通信。②用USB接口与PC通信：为实现通信输出连接的更为方便，多样性可以使该测量仪器在没有九针串口接口的电脑上也能使用，采用USART转USB的方案。在此可选用FT232BM芯片进行通信。

需要说明的是，USB是现代化的接口并通过USB总线直接给设备供电，它的接口轻巧并能使大量数据在其中传输。但是发明人发现其硬件的设计因为高频率和复杂的协议而变得困难。为解决上述问题，本实用新型通过FT232BM芯片提供了一种实现USB与串口连接的方案。本实用新型中的FT232BM芯片一边是RS232，另一边是USB，进行USB接口的开发，简单、容易，开发周期短，易于为工程实践所采用。同时，也可以直接用于新产品的开发，如数码相机的USB接口、MP3播放器的USB接口及无线Modem的USB接口等。

优选的，FT232BM可以是USB转RS232/RS422/RS485的32pin LQFP(薄型QFP：Low-profile Quad Flat Package)单芯片转换IC。本实用新型通过FT232BM提供的USB转232串口，便于在RS232和USB口之间建立可靠的连接，同时通过利用USB接口具有的即插即用和热插拔的能力给串口RS232外围设备提供非常容易使用的环境。基于本实用新型，可为等离子体探针测量数据的传输，提供高达115.2Kbps的传输速率。在一个具体示例中，采用MaximMAX3245CAI实现电平转换IC的功能，则可使传输速率达到1Mbps以上的速率。

进一步的，下面针对本实用新型在具体应用中可能涉及到的其它电路结构给予说明。

主控电路板电源电路：由于电压放大电路和电压电流检测电路所用的运算放大器均需要正负电源，本实用新型选用有正负5V两路输出的开关电源。

图6为本实用新型等离子体探针测量控制系统中主控电路板供电电源电路示意图；如图6所示，分别在正负两路加上去耦电容。为了防止电源插反，对电路板上主控芯片以及其它IC造成损坏，分别在两路加上二极管，正常工作时，二极管处于反向偏置状态工作。分别在两路加上发光二极管，用来指示电源的工作状态。

MSP430供电电路：MSP430单片机的供电电压范围为1.8～3.6V，而本实用新型的电路板供电为+5V。本实用新型选用LDO(low dropout regulator)线性稳压器LM1117-3.3，其输出电压为3.3V，最大输出电流可达800mA，能够实现给MSP430单片机供电。具体电路结构如图7所示，图7为本实用新型等离子体探针测量控制系统中主控模块供电电路示意图。

ADC/DAC电压基准源：由于电压输出范围为-300V～+300V，有600V的压差值。用12位的ADC进行电压检测，由：600V/4096≈0.146V得：ADC的电压分辨率为0.146V。要保证ADC的电压检测精度，则ADC的电压基准源的精度必需达到1/4096以上。本实用新型通过电压基准源REF3225和REF3212来实现相应的功能。其中REF3225作为ADC以及DAC的电压基准源，REF3212作为进行加减法运算的基准源。

本实用新型中REF3225和REF3212的部分参数如下：温度特性：4ppm/℃，输出电流：±10mA，高精度：0.01％，低静态电流：100uA，其电路图8所示，图8为本实用新型等离子体探针测量控制系统中ADC/DAC电压基准源电路示意图。

报警电路：报警电路如图9所示，图9为本实用新型等离子体探针测量控制系统中报警电路示意图；将蜂鸣器的正端接+5V，在负端串一个场效应管，再接1K的限流电阻。蜂鸣器上的压降可变，在流过的电流超过1mA时，发出比较响亮的鸣叫声。场效应管的栅极接MSP430比较器的输出端，当流过探针的电流大于设定值时，比较器输出高电平，场效应管导通，蜂鸣器鸣叫。

复位电路：复位电路如图10所示，图10为本实用新型等离子体探针测量控制系统中复位电路示意图。利用电容电压不能突变的原理，在上电时，RST电位为零，然后逐渐增大到3.3V，完成上电复位。当在上电后，按下按钮一小段时间，RST电位由3.3V逐渐变为零，完成复位。可有效防止复位按钮的误触发。

本实用新型等离子体探针测量控制系统，基于根据正负极进行串联的第一开关电源、第二开关电源，可将串联中间节点作为参两电源中间的零点，提供测量器扫描电压的正负电压输出单元，从而使电压输出模块得到对于零点的正负电源，主控模块控制的电压扫描范围大，比传统的测量设备扫描电压幅度更高；基于本实用新型精确的探针电压电流检测模块，可以获得对等离子体准确、精密的测量数据源。本实用新型的抗干扰能力强、测量精度更高，并且可选择设置传统的手动扫描或自动扫描，电路相对简单。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种等离子体探针测量控制系统，其特征在于，包括连接PC机的主控模块，连接所述主控模块电压输出模块以及连接所述电压输出模块的探针电压电流检测模块；所述探针电压电流检测模块的输出端连接所述主控模块；

所述电压输出模块包括正负电压输出单元以及输出放大单元；所述正负电压输出单元包括根据正负极进行串联第一开关电源、第二开关电源；所述输出放大单元包括一级放大电路和二级放大电路；

所述一级放大电路包括第一级放大器，所述二级放大电路包括第二级放大器；所述第一级放大器的第一输入端连接所述主控模块的模拟信号输出端，第二输入端接地，输出端连接所述第二级放大器的第一输入端；所述第二级放大器的第二输入端接地，输出端连接所述探针电压电流检测模块，第一电源端连接所述第一开关电源、第二电源端连接所述第二开关电源。

2.根据权利要求1所述的等离子体探针测量控制系统，其特征在于，所述正负电压输出单元还包括第一熔断器、第一抗干扰电路、第二熔断器以及第二抗干扰电路；

所述第一抗干扰电路包括第一变压器、第一有极电容、第一去耦电容；所述第一开关电源的负极通过所述第一熔断器连接所述第一变压器的第一输入端；所述第一变压器的第二输入端连接所述第一有极电容的负极、所述第一去耦电容的一端、所述第一电源端，第一输出端接地，第二输出端接地；所述第一有极电容的正极、所述第一去耦电容的另一端接地；

所述第二抗干扰电路包括第二变压器、第二有极电容、第二去耦电容；所述第二开关电源的正极通过所述第二熔断器连接所述第二变压器的第一输入端；所述第二变压器的第二输入端连接所述第二有极电容的正极、所述第二去耦电容的一端、所述第二电源端，第一输出端接地，第二输出端接地；所述第二有极电容的负极、所述第二去耦电容的另一端接地。

3.根据权利要求2所述的等离子体探针测量控制系统，其特征在于，所述第一开关电源为300V输出的开关电源模块，所述第二开关电源为300V输出的开关电源模块；所述第一熔断器为2A保险管，所述第二熔断器为2A保险管；所述第一变压器为低频变压器，所述第二变压器为低频变压器。

4.根据权利要求1所述的等离子体探针测量控制系统，其特征在于，

所述一级放大电路还包括第一限流电阻；所述二级放大电路还包括第二限流电阻、自恢复保险丝以及高频旁路电容；所述第一级放大器为OP07运算放大器；所述第二级放大器为PA94功率运算放大器；

所述OP07运算放大器的反相输入端通过所述第一限流电阻连接所述主控模块的模拟信号输出端，正相输入端接地，输出端连接所述PA94功率运算放大器的负输入端；所述PA94功率运算放大器的限流电阻输入端连接所述第二限流电阻，正输入端接地，输出端通过所述自恢复保险丝连接所述探针电压电流检测模块、所述高频旁路电容的一端；所述高频旁路电容的另一端接地。

5.根据权利要求4所述的等离子体探针测量控制系统，其特征在于，所述自恢复保险丝为KR/RF/WH600-110型元件；所述高频旁路电容为无极性聚丙烯滤波电容。

6.根据权利要求1所述的等离子体探针测量控制系统，其特征在于，所述探针电压电流检测模块包括分压电路、探针电压检测电路、探针电流采样电路以及探针电流检测电路；

所述第二级放大器的输出端通过所述分压电路连接所述探针电压检测电路的输入端；所述探针电压检测电路的输出端连接所述主控模块的电压检测端口；

所述第二级放大器的输出端通过所述探针电流采样电路连接所述探针电流检测电路的输入端；所述探针电流检测电路的输出端连接所述主控模块的电流检测端口。

7.根据权利要求6所述的等离子体探针测量控制系统，其特征在于，

所述分压电路包括第一分压电阻、第二分压电阻；所述探针电压检测电路包括第一OP07运算放大器、第二OP07运算放大器；

所述第一分压电阻的一端连接所述第二级放大器的输出端、另一端通过所述第二分压电阻接地；所述第一OP07运算放大器的正相输入端连接在所述第一分压电阻和所述第二分压电阻之间，输出端连接所述第二OP07运算放大器的正相输入端、并与所述第一OP07运算放大器的反相输入端相连接；所述第二OP07运算放大器的输出端连接所述主控模块的电压检测端口、并与所述第二OP07运算放大器的反相输入端相连接；

所述探针电流采样电路包括精密电阻；所述探针电流检测电路包括第三OP07运算放大器、第四OP07运算放大器；所述精密电阻的一端通过探针BNC接头连接所述第二级放大器的输出端、另一端接地；所述第三OP07运算放大器的正相输入端连接在所述探针BNC接头和所述精密电阻之间，输出端连接所述第四OP07运算放大器的正相输入端、并与所述第三OP07运算放大器的反相输入端相连接；所述第四OP07运算放大器的输出端连接所述主控模块的电流检测端口、并与所述第四OP07运算放大器的反相输入端相连接。

8.根据权利要求1至7任意一项所述的等离子体探针测量控制系统，其特征在于，所述主控模块为MSP430系列单片机；

所述MSP430系列单片机的USART串口与所述PC机的RS232接口相连接。

9.根据权利要求1至7任意一项所述的等离子体探针测量控制系统，其特征在于，还包括通信单元；所述主控模块通过所述通信单元连接所述PC机。

10.根据权利要求9所述的等离子体探针测量控制系统，其特征在于，所述主控模块为MSP430系列单片机；所述通信单元为FT232BM芯片。