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中山大学硕士学位论文 场致发射自动测试系统研制 专业； 硕士生： 指导教师： 凝聚态物理 谢芝山 邓少芝教授 摘要 本文以场致发射特性测试技术为背景，经典控制理论中的按偏差调节的闭环控 制系统为理论指导，开展场致电子发射特性测试的自动化技术的研究。自动测量 主要包括场致发射的i v 特性曲线、f - n 曲线、稳定性测量合发射像处理。论文内 容由系统硬件电路实现和软件实现两部分构成。 基于自动控制的经典控制理论和可编程逻辑器件( c p l d ) 设计出场致发射自 动测试系统的框架和相应的硬件电路。电路采用串口、g p i b 接口进行通讯，具有 s r a m 暂存数据、d a 、a d 转换等功能，部分电路功能( 控制d a 转换、a d 转换、l e d 显示) 用硬件描述语言( v h d l ) 编写c p l d 实现。 基于v i s u a lc + + 实现系统的软件界面，通过串口与系统硬件电路进行通信。软 件功能包括参数的设置、数据处理、场发射特征值计算、i v 曲线、f - n 曲线、稳 定性测量曲线生成以及对发射像进行处理，计算不同发射像的均匀程度及发光亮 度。另外采用软件的对象嵌入与链接( o l e ) 技术，实现软件界面跟s i g m a p l o t 的数据链接并作图，以便场发射的研究者灵活地进行更加深入的研究。 关键词：场致发射：自动控制：硬件描述语言；复杂可编程逻辑器件；对象链接 与嵌入 中山大学硕士学位论文 s t u d yo f a u t o m a t i ct e s t i n gs y s t e mo f f i e l de m i s s i o n c h a r a c t e r i s t i c m 硝o r ： n a m e ： c o n d e n s em a t t e r x i ez h i s h a l l s u p e r v i s o r ：p r o f d e n gs h a o z h i b a s eo nd a s s i c a ld o s e dl o o pc o n t r o ls y s t e mt n e o r ya n dc o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ( e p i c ) ，t h ea u t o m a t i o nt e s t i n gt e c h n i q u e so ff i e l de m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i ch a db e e ns t u d i e di nt h e p a p e r , a n dt h ea u t o m a t i ct e s t i n gs y s t e mh a db e e nb u i l t t h ef u n c t i o n si nt h ea u t o m a t i ct e s t i n g s y s t e mi n c l u d ei - vc h a r a c t e rc i ：r v e ，f - nc u r v e , s t a b i l i t yt e s t i n g a n de m i s s i o ni m a g ep r o c e s s i n ge t c a c c o r d i n gt oc l a s s i cc o n t r o l l i n gt h e o r yo fa u t o m a t i o n , t h ef r a m eo ft h ea u t o m a t i ct e s t i n g s y s t e mo ff i e l de m i s s i o nw a sd e s i g n e da n dc o r r e s p o n d i n gh a r d w a r ec i r c u i t sw h e r eb u i l tw i t h e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i c ( e d a ) t e c h n i q u e s t h ef u n c t i o n so ft h ec i r c u i ti n c l u d ep o r t c o m m u n i c a t i o n , t e m p o r a r yd a t as t o r a g ei ns t a t i cr a n d o ma c c e s sm e m o r y ( s r a m ) , d i g i t a lt oa n a l o g c o n v e r s i o n ( d a ) ，a n a l o gt od i g i t a lc o n v e r s i o n ( a d ) s o m eo ft h ef u n c t i o ni sr e a l i z e db yc p l d u s i n gv e r yh i g h - s p e e dh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ( v l h d l ) t h es o f l w a r e so fs y s t e mw e r ed e s i g n e dw i t hv i s u a l “+ l a n g u a g e w h c hh a v et h ef o l l o w i n g f u n c t i o n s ：i ) c o m m u n i c a t i n gw i t hh a r d w a r ec i r c u i t ；i i ) w o c e s s i n gd a t a ；i i i ) c a l c u l a t e sf i e l de m i s s i o n c h a r a c t e r i s t i cv a l u e ；i v ) d r a w si - vc u r v e ；v ) d r a w sf - nc u r v e ；v i ) d r a w ss t a b i l i z a t i o nc u r v e ；v i i ) p f o s s e m i s s i o ni m a g e b yu s i n go b j e c tl i n k e da n de m b e d d e d ( o l d ) t e c h n o l o g y , t h es c i e n t i f i c p l o t t i n gs o f t w a r eo fs i g m a p l o tw a sl i n k e dt od r a wc u r v e ，w h i c hi sc o n v e n i e n tt o f i e l de m i s s i o n r e s e a r c h e rt ol u c u b r a t e k e yw o r d s ：f i e l de m i s s i o n , a u t o m a t i cc o n t r o l ，s e r i a lc o n n n u n i c a t i o n , v h d kc p l d ，o l e 中山大学硕士学位论文引言 引言 场致电子发射在真空微电子领域有着广泛的应用。二十世纪六十年代，真空微 电子技术提出将真空电子器件的尺寸做到微米级，与当时的半导体器件相当，并 具备真空器件的独特优势，也可以实现器件的集成，而这类器件只能用微型场发 射冷阴极。自从1 9 6 8 年利用微电子工艺研制成金属钼微尖场发射阵列开始，在提 高发射电流密度和发射稳定性、延长寿命、扩大阴极尺寸和降低引出电压等方面 都取得了极大的成功，应用领域也逐步扩大，场发射显示器件( f i e l de m i s s i o n d i s p l a y , f e d ) 是最为成功的实例。 场发射显示器件是显示与真空微电子技术相结合的产物，其工作原理与阴极射 线管( c a t h o d er a d i a lt u b e ，c r t ) 比较相似，都是用高能电子轰击荧光屏而发光。 所不同的是c r t 幂i j 用热阴极产生电子柬且采用偏转系统实现电子束扫描，f e d 利 用冷阴极产生电子并且每一个像素的红、绿、蓝分别对应于一个场发射电子源。 由此可以知道，f e d 的关键核心是冷阴极，它的好坏对整个显示器件的性能， 显示质量以及稳定性至关重要。冷阴极的特性主要由冷阴极材料的场致电子发射 来表征，其主要的表征量是i _ v 特性、f - n 曲线、稳定性测量。实现上述几种测 量通常是借助场致发射综合分析仪，这类设备由于是非标准化的仪器，其测试技 术大多仍局限于非自动化测试的状况，也就是需要人工手动调节和记录相关的电 压和电流，然后在计算机上输入这些数据，用绘图软件处理得到i v 特性曲线、 f - n 曲线、稳定性测量曲线。这样，测试者把大量的时间花在记录和输入数据上， 效率非常低。此外，手动测试无法实现实时测试的功能，而这对某些现象( 例如 击穿过程) 又是非常重要的。 本课题针对上述问题，开展场发射特性测试技术自动化的研究。将根据场发 射测试原理，利用经典自动控制中的按偏差调节的闭环控制理论，设计出场致发 射自动控制系统。通过控制系统自动地调节加在样品上的电压，自动记录所获得 的发射电流，并自动调用科学作图软件s i g m a p l o t 进行作图及其他分析，以实现 从调节电压到测出场发射量和作出场发射的几种曲线全部过程自动化。同时引入 中山大学硕士学位论文引言 对器件的过流保护功能。 场发射的另外一个表征是发射像。目前对于发射材料的发射像的亮度及均匀性 通常通过人眼观察来判断，如果两幅发射像很相近，人眼就很难判断，如果通过 计算机就能很精确的统计他们的发射亮点数和均匀程度，从而区分他们。本研究 也将开展对发射像处理软件的编程。 中山大学硕士学位论文第t 章场致电子发射测试与自动控带j 理论概述 第1 章场致电子发射测试与自动控制理论概述 1 1 场致电子发射特性表征 1 1 1 场致电子发射现象 电子发射是研究电子如何从物体内部通过表面向真空逸出的科学。固体内部 含有大量电子，电子要从表面势垒从固体表面逸出，必须从外界获得足够的能量， 或者设法消除束缚电子的物理因素。最初被发现的电子发射现象在1 8 8 3 年的金属 表面的热电子发射。阴极发射体被加热到约l o o ok 时，其中的电子在获得足够越 过物体表面势垒的能量时就会从物体表面逸出，这就是热电子发射现象。热电子 发射是阴极射线管的核心部件，在其他真空器件中也有广泛应用，因此得到深入 研究。 除了热电子发射，还存在场致电子发射、光电子发射、二次电子发射等电子 发射形式，它们的原理是固体内部的电子分别获得电能、光子能量和初电子能量， 被激发后获得较大的动能，而越过物质表面的势垒而从固体表面逸出。然而，除 了场致电子发射外，其他的电子发射存在不同方面的问题，如热电子发射存在高 温辐射损耗掉大部分的能量问题、电子发射存在较长时间的迟滞问题、获得的最 大电流密度仅为几百a c m 2 等。 场致电子发射则是由于外加强电场使固体表面的势垒高度降低，宽度变窄，当 势垒的宽度窄到可以同电子波长相比拟时，电子的隧道效应发生作用，从而使固 体内部的电子不需要另外增加能量，就可穿透势垒逸出到真空。在外电场作用下 金属表面附近的势垒如图1 1 所示i 2 1 。固体表面需要的电场强度，取决于材料的功 函数，功函数越低电子就越容易发射。 相对于热电子发射、次级电子发射、光电子发射等，场致电子发射最引人注 目的特点是电子发射不需要从外界吸收能量。场致电子发射是一种十分有效的电 子发射方式，它可以提供高达1 0 7 a c m 2 以上的发射电流密度，并且不需经过预热， 中山大学硕士学位论文第1 章场致电子发射测试与自动控制理论概述 没有发射的时间迟滞效应。 图1 - 1 、外加电场下金属表面的势垒曲线诩 1 1 2 场发射特性表征 1 、场发射i v 特性曲线 由于功耗极低( 不需要从外界吸收能量) ，所以它从一开始就受到实验和理论 工作者的普遍关注，但直至三十年代末期以后，随着量子力学及相应的电予模型 等的出现，科学家才建立起较为完善的场致电子发射理论。1 9 2 8 年，r ，h i j o w l e r 和l w n o r d h e i m 首次利用量子力学的隧道效应概念解释了场致电子发射现象， 并对金属场致电子发射( m f e e ) 采用金属一真空的自由电子模型，从理论上推 导出了绝对零度时，阴极发射电流密度与材料功函数及外加电场闻的关系式1 3 l ： 川m 枷叫- 6 8 3 x 1 0 7x 譬) 。 这就是f o w l e r - - n o r d h e i m 公式。式中j 为阴极发射的电流密度( a c m 2 ) ；e 是外加的电场强度( v ，m ) ；提材料表面的功函数( e v ) ，即为费米能级与真空能 级之间的能量差，它决定了电子从阴极发射到真空中的能力。由公式可见，发射 电流密度由金属表面电场强度以及金属材料的功函数庐决定。发射体表面电场强 度越强，发射电流密度越大，功函数降低0 ie v ，电流密度约增大一个数量级。 中山大学硕士学位论文第1 章场致电子发射测试与自动控制理论概述 由于材料的功函数褓持不变，通过测量电流( 电流密度) 和所加电压( 电场) 可以得出发射材料的i v 特性曲线，它是场致发射的重要表征之一。测量i v 特 性通常使用场致发射综合分析仪。图1 - 2 和图1 3 分别为理论场发射i v 特性曲线 的大致形状和实际测量s i c 纳米线的场发射i v 特性曲线【1 5 】。 _ o t 啪 m s e e m 善。 一 4 e r a o 图1 - 2 、理论场发射i _ v 特性曲线 图i - 3 、s i c 纳米线的场发射w 特性曲线l 2 、f - n 曲线 场致发射与物体表面形貌密切相关。人们研究发现尖针形的结构，表面具 有电场增强的效应。这是由于金属微尖本身具有会聚电力线的作用，因此在它表 面及其周围区域的微观电场比实际的外加电场要强。一般而言，b 因子跟发射体 的高径比l 竹( 高度与尖端曲率半径之比) 、两电极之间的距离d 有关【4 i ，即 卢- 卢。( 1 一三) ，卢。为d ) ) i l 时对应的场增强因子。在考虑场增强因子的情况下， 我们可以将f o w l e r - n o 砌h e 面方程写成如下形式： - n ( 吉) 山( 号贮) - 6 8 3 x 1 0 7x 篙 m 动 其中e = p e o ，e o = w d ，v 为加在两极间的电压，d 为两极间的距离。 ( 肛2 ) 的自然对数与( 1 l e o ) 关系所得到的曲线就是实验中常用的 f o w l e r - n o r d h e i m 曲线( 简称f - n 曲线) 。如果f - n 曲线是一条直线，表明电子发 射主要是量子隧穿效应引起的。f - n 曲线的斜率与阴极的功函数及场增强因子有 关，从实验得出的f - n 曲线斜率可计算出场增强因子b 的值。图1 4 和图1 5 分别 为理论场发射f - n 曲线和实际测量碳纳米管f - n 曲线【1 5 l 。 中山大学硕士学位论文第1 章场致电子发射测试与自动控制理论概述 图1 4 、理论f - n 曲线图1 - 5 、碳纳米管f - n 曲鲥1 5 】 3 、稳定性 衡量一个电子器件的好坏不仅要求它有好的电流一电压特性，还要求它的特性 要有好的稳定性和长的寿命，所以一种冷阴极材料能否适合用于场发射器件，除 了看它们的电场与发射电流的关系是否符合f o w l e r - n o r d h e i m 公式外，还要看它们 发射的稳定性。稳定性测量可以用来研究材料的发射寿命。 稳定性测量通常是在一定电压下，测量发射电流随时间变化情况，测量参数包 括波动的最大值、波动的百分比。理想情况下发射电流沿着中心值作微小的上下 波动( 偏离量 5 ) 。 4 、发射像 研究者可以将材料样品的场发射图像拍摄下来，通过发射像的发射场和发射 亮度分布可以知道样品表面场发射的发射强度区域分布和发射形状，从而进一步 分析发射材料的特性。发射强度区域分布可以知道材料发射的均匀性以及发射强 弱影响因素。发射像的实验方法通常采用透明阳极法。 5 、能谱 固体场发射的能量分布包含着有关固体能带结构、表面势垒及电子一电子、 电子一空穴散射的多体效应等丰富信息，因而有必要研究材料的场发射能谱，能 谱的试验方法通常用探针法。 中山大学硕士学位论文第1 章场致电子发射测试与自动控制理论概述 1 1 3 场发射特性测试技术 1 、透明阳极法 透明阳极的原理如图1 6 所示。用导电玻璃作为阳极，上面均匀铺上荧光粉， 阴极放样品，当阳极加上电压之后，发生场发射时，样品中电子逸出其表面打在 阳极( 导电玻璃) 上，荧光粉发光，摄像头从阳极的另一侧可以拍摄到发射的像， 从发光的亮度跟均匀性可以看出材料样品的发射强度与均匀性。透明阳极法常用 于探测发射材料的块面积发射的均匀性以及发光强度，另外还可以测量样品总发 射电流和观察发射场分布。 阴极样品 透明阳极 摄像头 图1 - 6 、透明阳极法测场发射像示意图 图1 7 和图1 8 分别为采用透明阳极法测量两种不同材料的发射像，可以看出无 论从发光亮度还是均匀性，材料a 的均优于材料b ，因此材料a 的发射性能比材料b 好。 图1 7 、材料a 场发射像明图1 - 8 、材料b 场发射俐1 8 2 、探针法 探针法如图1 9 所示，原理与透明阳极法相似，只是以探针代替透明阳极，用 中山大学硕士学位论文第1 章场致电子发射测试与自动控制理论概述 于探测发射材料局部某个位置的发射情况，常用于观察研究某些特殊位置的发射 强度，以及整个材料的均匀性。 图1 - 9 、探针法测场发射 1 2 自动控制系统理论概述 1 2 1 自动控制系统的研究历史及其发展现状 在现代的工业、农业、国防和科学技术领域中，自动控制技术得到了广泛的 应用，自动控制理论起者极为重要的作用。所谓自动控制，就是不需要人的直接 参与，而能控制某些物理量按照指定的规律变化。自动控制理论就是研究自动控 制共同规律的技术科学，它的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理， 随着工业生产和科学技术的发展，现已发展成为一门独立的学科一一控制论。控 制论包括工程控制论、生物控制论和经济控制论。工程控制论主要研究自动控制 系统中的信息变换和传送的一般理论及其在工程设计中的应用；而自动控制原理 则仅仅是工程控制论的一个分支，它只研究控制系统分析和设计的一般理论。 能够对被控制对象的工作状态进行自动控制的系统，称为自动控制系统。如 图1 1 0 所示。它一般由控制装置和被控制对象组成。被控对象是指要求实现自动 控制的机器、设备或生产过程。控制装置是指对被控制对象起控制作用的设备总 体。 从图中看出，控制装置应具备三种基本功能，即测量、计算、执行，这需要 相应的元部件来承担。参与控制的信号来自两条通道：干扰和被控量，这是控制 的主要依据。 中山大学硕士学位论文第1 章场致电子发射测试与自动控制理论概述 1 2 2 经典控制系统 图1 1 0 、自动控制系统方框图嗍 人们一般把2 0 世纪5 0 年代末期以前应用的自动控制理论称为经典( 古典) 控制理论。经典控制理论主要以传递函数为基础，研究单输入、单输出的自动控 制系统的分析和设计问题。 经典的自动控制有三种基本方式：给定值操纵的开环控制、按干扰补偿的开 环控制，以及按偏差调节的闭环( 反馈) 控制。 ( 1 ) 给定值操纵的开环控制。如图1 1 1 所示。其原理是：需要控制的是受 控对象的被控量，而测量的只是给定值。这类控制的缺点是当受控对象或控制装 置收到干扰，或者工作过程中特性参数发生变化，会直接波及被控量，而无法自 动补偿。 图1 1 1 、按给定值操纵的开环控制系统方框图 ( 2 ) 按干扰补偿的开环控制。如图1 1 2 所示，其原理是：需要控制的是受 控对象豹被控量，而测量的是破坏系统正常运行的干扰。利用干扰信号产生控制 作用，以补偿干扰对被控量的影响，故称干扰补偿。其缺点是只能对可测干扰进 行补偿。不可测干扰及受控对象、各功能部件内部参数变化对被控量造成的影响， 系统自身无法控制。 中山大学硕士学位论文第1 章场致电子发射测试与自动控制理论概述 图1 1 2 、按干扰补偿的开环控制系统方框图 ( 3 ) 按偏差调节的闭环( 反馈) 控制。如图1 1 3 ，其原理是：需要控制的是 受控对象的被控量，而测量的是被控对象对给定值的偏差。无论是由干扰造成的 还是由结构参数变化引起的，只要被控量出现偏差，系统就自行纠偏。显然，这 种系统原理上提供了实现高精度控制的可能性。 1 2 3 现代控制系统 图1 1 3 、按偏差调节的闭环控制系统方框图 以反馈原理为基础的经典控制论，已经形成完整的理论体系，并有了工程实 现方法。随着现代技术的发展，要求组成高性能、高精度的复杂控制系统，这样 经典控制理论已不能完全满足要求；另一方面，随着计算机技术的高度发展，在 客观上提供了必要的技术手段，使得自动控制理论发展到了一个新的阶段。 现代控制理论是2 0 世纪6 0 年代在经典控制理论的基础上，主要以状态空问 法为基础，研究多输入、多输出、变参数、非线性、高精度、高效能等控制系统 的分析和设计问题，最优控制、最佳滤波、系统识别、自适应系统等理论都是这 一领域研究的主要课题。特别是近年来由于计算机技术和现代应用数学研究的迅 速发展，使现代控制理论在研究庞大的系统工程的大系统理论和模仿人类智能活 动的智能控制等方面得到重大发展。 ( 1 ) 最优控制系统 中山大学硕士学位论文 第1 章场致电子发射测试与自动控制理论概述 最优控制是要求实现对某种性能标准为最好的控制。这种性能标准称为指标， 也叫目标函数，通常要求优质、高产、低耗、高效率，其中最简单的一种是时间 最优控制( 即快速最优控制) ，它在列车运行自动控制、自动化仪表、发电机电压 控制中得到广泛应用。 最优控制可以采用开环控制和闭环控制两种方式，如图1 1 4 所示。这两种控 制方式的区别在于最优控制方案u ( t ) 的组成形式不同。图1 - 1 4 ( a ) 所示的开环控制， u ( 1 ) 只与系统的输入信号r ( 1 ) 及初始状态c ( 0 ) 有关；而图1 1 4 所示的闭环控制， u ( t ) 与系统的输入信号r ( t ) 及实时状态) 有关。因此，闭环控制可以在任何扰动 情况下实现最优控制，而开环控制一旦出现扰动，最优控制便被破坏。 ( 8 ) 、开环方式 图1 1 4 、最优控制 ( 1 ) 、闭环方式 ( 2 ) 自适应控制系统 第一个自适应控制系统是2 0 世纪5 0 年代末期，由麻省理工学院仪器实验室研 制出【5 l 。自适应控制有自动适应的能力，当系统特性或元件参数变化或者扰动作 用很剧烈时，它能自动测量这些变化，并自动改变系统结构与参数，使系统适应 环境的变化，始终保持最优的性能指标。自适应控制系统主要有以下几种形式。 幻模型参考自适应控制系统 模型参考自适应控制系统原理如图1 1 5 所示，它由两个环路所组成，由调节器 和被控制对象组成内环，称为可调节的予系统。由参考模型和自适应机构组成外 环。 由图1 1 5 可知，模型参考自适应控制系统是在常规的反馈控制系统的基础上， 再附加一个参考模型和控制器参数的自动调节回路，其中参考模型的输出蛳f f ) 为 希望的动态响应，也就是用理想模型的输出来表示对系统的性能要求。当被控对 象由于外界环境或工作状态的改变使其运动特性偏离了最优轨迹，被控对象的输 出y 似与理想模型的输出y 掰f f j 相比较产生误差e o ) ，e 通过自适应机构，根据自适 中山大学硕士学位论文第1 章场致电子发射测试与自动控制理论概述 应规律产生反馈作用去修正调节器的参数，从而使可调系统的输l i l y ( t ) 与参考模型 的输出蛳似一致，使e 似趋于零。 图1 1 5 、模型参考自适应控制嘲 们自校正控制系统 自校正控制系统如图1 1 6 所示，它由两个环路构成，内环由控制器和被控对象 组成，外环由参数修正器与参数辨识器组成。整个自校正系统通常由控制计算机 来实现。在运行过程中，首先进行被控对象的参数在线辨识，然后根据辨识结果 进行参数修正，从而使对象运行性能仍保持最优或接近最优 f 图1 1 6 、自校正控制系统阁 曲可变增益的自适应系统 如图1 1 7 所示，调节器按照被控对 象参数的变化规律进行设计，当被控 对象的参数因工作状态或环境情况的 变化而改变时，通过测量系统的某些 变量，经计算来改变调节器的增益 图1 1 7 、可变增益自适应控制 中山大学硕士学位论文 第1 章场致电子发射测试与自动控制理论概述 ( 3 ) 自学习控制系统 自学习控制是一种比较完善的自适应控制，它具有辨识、判断、积累经验和学 习的功能。在控制系统的特性事先不确切地知道，或者不能准确地用数学方法描 述时，采用自学习系统可以在工作过程中不断地测量、估计系统的特性，并决定 最优控制方案，实现性能指标最优的控制。 ( 4 ) 控制系统的网络化 近年来，随着计算机网络技术的飞速发展，尤其是局域网技术的成熟，生产现 场采用网络技术使各设备、控制系统实现通信成为可能。由于工业生产中各系统 日渐复杂庞大，各控制对象之间物理位景距离较远，控制要求在原理、方法差别 越来越大。通过局域网控制，网络协议与自动控制系统理论相结合，管理大系统 中的各控制对象，使它们共享数据，协调工作。 1 2 4 控制系统的基本要求 为了实现自动控制的基本任务，必须对系统的控制过程中表现出的性能提出要 求。系统最理想的控制性能应该是使输出时刻跟随输入变化。但由于系统中总是 包含具有惯性或储能特性的元件，因此当输入变化时，输出量的变化不可能立即 发生，而是有一个过渡过程，所以过渡过程的性能是衡量自动控制系统质量的重 要标志，它反映了对系统性能的动态要求。过渡过程主要反映在稳、快、准三个 方面。 ( 1 ) 稳：要求自动控制系统必须是稳定的。当系统收到外界作用时，稳定的系 统，其输出量的过渡过程随时间衰减，输出量最终能与希望值一致；不稳定的系 统，其输出量的过渡过程随时问而增长或表现为持续振荡。要求系统稳定是保证 系统能正常工作的必要条件。 ( 2 ) 快：要求自动控制系统的过渡过程持续时间尽量短，即过渡过程尽快结束， 输出尽量快地跟踪输入的变化而变化。 ( 3 ) 准：当自动控制系统的过渡过程结束后，要求输出量最终应准确地达到希 望值，否则将产生偏差。系统地稳态误差应满足给定数值地要求，这是衡量控制 系统准确度的标志。 中山大学硕士学位论文第1 章场致电子发射测试与自动控制理论概述 1 2 5 自动控制系统的接口技术 大部分的自动控制系统中，计算机充当了一个极为关键的角色。它通常属于控 制装置部分，负责传输数据、计算和处理数据，同时参与系统的各部分之间的协 调工作。计算机在与系统其他部分通信时，需要双方都遵守相同的通信规则( 称 为通讯协议) ，并通过标准接口来实现。常用的接口有串行接口和并行接口，它们 通常以总线来描述，例如通用接口总线( g e n e r a l p e r p u r s c i n t e r f a c e b u s ，简称g p i b 或i e e e 4 8 8 ) ，通用串行接口总线( u n i v e r s a l s e r i a lb u s ，简称u s b ) ，i e e e l 3 9 4 ， 键盘接口，p s 2 鼠标接口等。 1 、串行接口 串行通信是将构成数据或字符的每个二进制码位，按照一定的顺序逐位进行传 输。串口由于协议相对简单，连线也方便和廉价。在速度( 几k b i t s 到几十k b i t s ) 要求不太高、距离短( 小于1 5m ) 的场合下一般采用r s 2 3 2 接口，如果需要速 度高而且距离比较远的，采用差分信号式的r s 4 2 2 a 接口( 在传输速度为1 0 m b i t s 时传送距离可以达3 0 0 蛐；如果需要驱动多个负载的传送采用扩展了r s 4 2 2 a 扩 展版的r s 4 8 5 接口( 可以驱动3 2 个负载设备) 。串行通讯传输有两种基本的通讯 方式。 ( 1 ) 同步通讯方式 同步通讯的基本特征是发送与接收时钟需始终保持严格地同步。由于串行传输 是按位顺序进行的，为了约定数据是由哪一位开始传输，需要设定同步字符( s y n o 来指示数据流的开始，然后双方同步开始计数和数据的传输。其格式如图1 1 8 所 示。 由于数据传输时必须跟时钟严格 1 10 10 1 1 0 0 0 0 1 p 同步，因此发送端必须不问断地发送数磊丙丁l 数据的舞三f 奇偶校验位 据，中间不允许断流( 即数据空、缺) ， 图1 1 8 、同步通讯格式 否则将会出错。同步通讯方式通常用于 传输信息量大、速度要求较高( 8 0 0k b s ) 的场合。 ( 2 ) 异步通讯方式 中山大学硕士学位论文第1 章场致电子发射测试与自动控制理论概述 异步通讯方式不需 选择位 要同步字符s y n c , 也不r - 。1 r t t t f i + j r _ 一 要求保持数据流的连续 藿l1 ；2 ；3 ；4 ；5 ；6 7 ；8 j 簦i 芏i 芷l o ：_ 卜一一1 r 。r 一一t 一一r - - 1 r - - 1 1i 性，它规定了传输格式，彝据位 。” 每个数据均以相同的帧 图l 一1 9 、异步通讯方式的帧格式 格式传送。帧格式如图 1 1 9 所示。每帧由起始位、数据位、奇偶校验位和停止位组成。帧与帧之间用高 电平隔开。异步通讯双方都要求相同的帧格式和波特率。 2 、并行接口 并行通讯是构成数据或字符的各个二进制码位同时地传输，它需要通讯挂钩信 号来保持通讯的正确性。例如计算机并行接口( 打印机接口) ，包括控制信号线和 数据线共2 5 条，几条重要的信号线描述如下。 - - s t r o b e ：低电平脉冲表明读数据 d a t ab i t o - 7 ：0 到7 位的并行数据，高电平1 ，低电平0 一a c k ： 低电平表明可以接收数据 b u s y ： 高电平表明打印机不能接收数据 p e ： 高电平表明打印机缺纸 s l c t ： 联机 一a u t of e e d ：低电平表明打印机自动走一行 一e 眦： 打印机缺纸或脱机或出错 一玳r n 低电平时复位打印机 一s “玎i n ：选择输入 3 、常用的标准接口总线 ( 1 ) 通用并行接口总线( g p i b 或i e e e - 4 8 8 ) 接口 1 9 7 2 年，美国h p 公司首先研究成功一种实用的仪器接口系统，命名为h p i b ， 奠定了通用接口系统的基础。1 9 7 5 年4 月美国电气及电子工程师协会颁布了 i e e e s t d 4 8 8 1 9 7 5 ( 即1 e e e - 4 8 8 标准) ，将h p i b 作为i e e e 的标准，也称为通 用接口标准( g p i b ) 。1 9 8 7 年i e e e 将原i e e e 4 8 8 标准作个别修订名为 i e e e 4 8 8 1 - 1 9 8 7 ，并同时颁布了i e e e 4 8 8 2 - 1 9 8 7 标准，该系统对器件消息的 中山大学硕士学位论文第1 章场致电子发射测试与自动控制理论概述 编码格式做了进一步的标准化。i e e e - 4 8 8 标准靓定了一个系统中必须有控者( 控 制作用) ，讲者( 数据源，源方) 和听者( 接收数据，受方) ，但同一时间必须只 有一个控者，一个讲者，可以有若干个听剖引。 g p i b 的协议和连线相对复杂，价格高昂，一般需要在计算机上添加g p i b 接 口板才能进行通讯，通过三线挂钩功能，对仪器进行寻址，采用8 位数据线传输 数据和命令，可以将数据正确的发送到制定的仪器，速度比r s 2 3 2 快f 最高可达i m a s ) 。 ( 2 ) 通用串行总线( u s b ) 接口 u s b 是一种目前赏用的具有赢速0 j s m 1 最高速度1 2m b p s ，u s b 2 0 最高速 度4 8 0m b p s ) 、使用方便( 即插即用) 、低功耗、连线简单( 只需要两条数据线d + 、 d 传输) 等特点，它是由普通的串行接口发展而来的，可同时把多达1 2 7 个外部 设备连接到用户系统上。 中山大学硕士学位论文第2 章场致发射自动测试系统的硬件电路设计 第2 章场发射自动测试系统的硬件电路设计 根据按偏差调节的闭环控制系统理论，并结合场致发射综合分析仪的功能结 构，设计出了场发射特性自动测试系统方案，及其硬件电路。其中包括用c p l d 来实现控制d a 转换、a d 转换、l e d 显示、 e e e 4 8 8 接口的昕者功能；具有数 据暂存s r a m 实现，脱离计算机工作功能，和单片机的串口通讯及串口扩展功能。 2 1 自动测试系统方案设计 方案的结构框图如图2 - 1 所示。本课题中计算机将要发送的电压数据值送往 程控高压电源，输出0 - 1 0k v 送到综合分析仪的阳极电极( 阴极放样品) ，被测样 品在电压升至一定值时，发生场致电子发射：串联在阴极的电流表将场发射的电 流数据i ，通过程控高压源的扩展串口送回计算机；然后计算机对数据进行处理， 并生成表格数据和1 v 特性曲线。整个自动测试过程是闭环结构，由计算机自动 操纵。 图2 - 1 、自动测试系统框图 在上述方案中，为了确保系统的可靠性，引入了如下两个处理： ( 1 ) 计算机给程控高压源发送测量电压数据的同时对其输出的电压值进行监控， 以防由于环境及硬件电路参数的变化，引起电压的波动。 ( 2 ) 将发射的电流数据送回计算机进行处理时，设置了数据粗大误差判定，分析 数据是否位于误差范围内，若是则保留；不是则丢弃，同时计算机重新发送 中山大学硕士学位论文第2 章场致发射自动测试系统的硬件电路设计 电压数据，直到测得的电流数据位于误差范围为止。 本研究采用了分布式控制系统模式：主控机是p c 机，现场控制机为单片机形 式，整个硬件电路集合在程控高压源中。 2 2 硬件系统电路实现 2 2 1 程控高压源方案 图2 - 1 中的自动测试系统中，电流计采用配置有r s 2 3 2 接口的u t 7 0 b ，能够 测量小至0 1 心的电流，并将测量数据以一定格式通过r s 2 3 2 发送到计算机。 程控高压电源需要自主研制，是本项目的硬件设计内容。程控高压源采用如图2 - 2 所示结构做方案，其中高压模块采用外购置产品，型号为h w l 0 1 0 p ，从它的输 入端输入o 1 0 v 的控制电压便能输出o 1 0 k v 高压，并从其与输出成正比的监控 输出端( 0 - 1 0 可以监视输出电压的状态。 程控高压源的工作原理是：计算机通过接口将数据发送到硬件电路，经过d a 转换器，输出0 - 1 0v 之间的一个电压，该电压作为高压模块的输入控制，最后输 出0 - 1 0k v 的电压到场致发射综合分析仪供被测样品使用。同时，将与高压模块 监控电压输出到a i d 转换成数字信号送回计算机。 图2 - 2 、程控高压源结构框图 2 2 2 程控高压源的具体电路 程控高压源实现电路如图2 - 3 和附件1 所示，它具有r s 2 3 2 和i e e e 4 8 8 ( g p i b ) 接口听者功能。该电路采用a t m e l 公司的a t 8 9 s 5 1 单片机作为主控芯 片，它是基于m c s 5 1 核，具有4 k b y t e s 的r o m 和1 2 8 b y t e s 的r a m ，可以在 系统编程( i s p ) ，而且价格便宜，购买方便。a t 8 9 s 5 1 单片机作为现场控制机用， 负责与计算机、c p l d 、s r a m 进行通讯，还有电流表u t 7 0 b 通过串口送过来的 电流数据的解码等。 中山大学硕士学位论文第2 章场致发射自动测试系统的硬件电路设计 由于g p i b 总线协议的芯片价格昂贵，而在本设计中只需要实现听者功能，绝 大多数的功能( 例如讲者，控者等) 实际上并不需要，而复杂可编程逻辑器件 ( c p l d ) 或者现场可编程门阵列( f p g a ) 编程灵活方便，价格相对便宜，只要 硬件资源允许，可随时增减芯片里面的硬件功能，因此考虑采用c p l d 或f p g a 实现。本设计使用x i l i n x 公司的c p l d 型号为x c 9 5 1 4 4 ，在该芯片上集合实现了 g p i b 协议的听者功能以及d f a 转换( 芯片型号a d 7 5 4 3 ) 、a ，d 转换( 芯片型号 t l c 2 5 4 3 ) 、l e d 显示控制。 r x d a 1 8 9 5 5 1 t ) ( d p 0r dw r s r a m d o d 7r d w r x c 9 5 1 4 4 t a l 0 0a d 鍪7 5 4 3h 槎缕p li 燧t 扛厂1 囱匪叵怫 图2 3 、程控高压源的具体实现电路框图 正常工作情况下，高压模块的输出电压与输入控制电压成正比，由于外界的电 磁干扰，高压模块输出存在一定的波动，因此高压模块内部设有与输出成正比的 监控反馈电压输出端，利用该输出端的电压，可以通过a d 转换后送回c p l d ， 即可知道高压模块实际的输出电压，或者通过上下调节d a 转换的数据，使高压 模块与预设的值一致。另外，当加上高压时，场发射器件由于各种原因( 例如未 老化) 电流过大产生击穿，程控高压源能够自动减少电压以保护器件。 上述电路的工作过程为：计算机可以通过两种接口( r s 2 3 2 和g p i b ) 将数据 以一定的格式发送到该电路。若是通过r s 2 3 2 接口，则数据先通过x 2 3 2 进 行电平转换之后再送单片机a t 8 9 s 5 1 ，单片机再将数据送到c p l d ( 型号 x c 9 5 1 4 4 ) ；如果通过g p i b 接口，c p l d 直接接收数据。之后c p l d 将其还原成 原始数据，根据数据的格式分别：送到d a 转换芯片，转换成o 1 0v 的电压 输出到高压模块生成0 - 1 0k v 的电压；接收a i d 转换的数据，通过单片机送回 中山大学硕士学位论文第2 章场致发射自动测试系统的硬件电路设计 计算机处理；将数据送到显示电路显示。具体流程如图2 - 4 所示。 图“、电路工作流程 2 3 部分功能电路模块的c p l d 实现 本研究采用复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 来实现程控高压源的g p i b 听者功 能、控制d a 转换、a d 转换和l e d 显示，并可以通过g p i b 听者功能或通过单 片机以r s 2 3 2 接口形式实现与p c 机之间通信。c p l d 实现的内部功能结构如图 2 - 5 所示，其中时钟分频模块负责向其他模块提供各种时钟信号：1 6 位寄存器保 存从单片机或者g p i b 接口发送过来的数据，c p l d 根据其保存的数据格式分别 送到d a 转换、a d 转换、l e d 显示控制模块。 中山大学硕士学位论文 第2 章场致发射自动测试系统的硬件电路设计 时钟输 1 6 位寄存器亡 譬警蓉姑 一鞲 2 3 1 单片机接口 d ，a 转换器 图2 - 5 、c p l d 实现的内部功能结构 c p l dx c 9 5 1 4 4 与单片机a t 8 9 s 5 1 的接 口电路如图2 - 6 所示。c p l d 的读、写输入信 号以及双向数据总线w r 、r d 及肼d 7 分别 接单片机的读、写输出信号w r 、r d 及局 口；c p l d 的片选信号c s 与p 3 j 连接；c p l d 中断请求输出信号i n t o 与单片机的中断输 t 8 9 s 5 lx c 9 5 1 4 4 2 9 r d 2 8 w rw r p h h 7 箜： d 旷珥 3 2 p b岱 1 7 d r r 0 n r i u 图2 _ 6 、c p l d 与单片机连接电路 入面而连接。c p l d 的1 6 位寄存器w o r d _ _ t e m p 的地址映射为h 闻( s r a m 不 应再使用该地址) 。 1 、单片机向c 呦写数据 c p l d 作为单片机的外部设备，必须 满足单片机访问外部设备的时序。图2 7 西厂 怒， 厂一 ( r d ) ij w 。二 寥， 图2 - 7 、c p l d 读写时序 中山大学硕士学位论文第2 章场致发射自动测试系统的硬件电路设计 示出了c p l d 的读写时序。片选信号一c s 为低电平时，器件被选通，当c p l d 检 测到写信号w r 下降沿，立即读取数据线d o - d ，上的数据。 当单片机需要进行：d 转换；d a 转换：更新显示数据的时候， 向c p l d 写入相应的1 6 位数据( 分两次写入，每次8 位，先送高8 位) 到1 6 位 寄存器w o r d t e m p ，然后c p l d 根据数据格式做相应处理。上述1 6 位数据的高3 位为选择位，其意义如表2 - 1 所示，其中信号t l c 2 5 4 3 、a d 7 5 4 3 和l e d 置“1 ” 分别代表选择