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场发射测试系统的设计与实现 摘要 场发射平板显示作为传统彩电( 显像管) 的平板化技术，在国内外受到广泛 重视，并取得了显著的进展。场致电子发射简称为场发射现象，是场发射显示器 件的物理基础，场发射测量技术是研究场发射阴极材料、场发射器件的技术基础。 场发射电流与场强关系的测量是场发射测量的主要内容，一般是需要在数干 伏的高压条件下测量纳安量级的弱电流，信号的测量和采集极易受外界干扰，目 前国内外尚没有合适的测量电源。 本文利用现有的直流高压电源，设计完成了在高压输出端测量范围为 1 0 i a 1 1 1 a ，即5 个数量级的场发射电流的场发射测试系统，基本满足了场发射 测量要求。 本文具体完成了如下几个方面工作： 1 、针对场发射电流变化范围宽的特点，采用了对数放大测量方法，并进行 了实验测量验证； 2 、采用a r m 微控制器l p c 2 1 4 8 ，对模数转换和数据采集进行了硬件电路 和软件设计； 3 、采用红外技术实现高压下的弱信号测量； 4 、利用l p c 2 1 4 8 片内f 1 a s h 设计了存储u 盘，将数据实时存储到u 盘，并 且研究了u s b 协议，进行了u s b 接口编程与调试，便于将u 盘数据上 传至p c 机，方便了后续的数据处理； 论文最后对所设计的场发射测试系统进行了总结，指出了系统的不足，下一 步工作，以及有待改进提高之处。 本论文的工作完成了系统软硬件设计、p c b 设计、电路板焊接、整机装配、 系统调试和实验测量，其创新之处是利用红外技术实现了高压下的场发射电流信 号测量。 关键词：微弱信号测量；场发射电流；高压隔离；a r m ；u s b d e sig na n dim ple m e n t a tio no f fieide mis sio nt e s ts y s t e m卜ield 匕mls slo n le s t3 y s t e m a b s t r a c t a san a t t e nt e c h n o l o g yo ft r a d i t i o n a lc o l o rt e l e v i s i o n ( k i n e s c o p e ) ，f i e l de m i s s i o n d i s p l a yh a sb e e na t t a c h e dm u c hi i n p o r t a n c ea th o m e 锄da b r o a d ，锄dh 嬲鲈a t9 0 t p r o 孕e s s f i e l de l e c t r o ne m i s s i o ni sc a l l e df i e l de m i s s i o nf o rs h o r t i t ，st h ep h y s i c s f o u n d a t i o no ff i e l de m i s s i o ne l e c t r o n i c sc o m p o n e n t s ，觚df i e de m i s s i o nt e s t t e c h n o l o g yi st h et e c h n o l o g yf o u n d a t i o no fs t u d y i n gf i e l dc a t h o d em a t e r i a l s 觚df i e l d e l e c t r o n i cc o m p o n e n t s t h er e l a t i o n s h i po ff i e l de m i s s i o nc u r r e n t 如de l e c t r i c a lf i e l ds t r e n 舀hi st h em a i l l j o bo ff i e l de m i s s i o nt e s t i tn e e d st om e a s u r en al e v e lc u r r e n ti nh i g hv o l t a g e c o n d i t i o n ，a n dt h em e a s u r e m e n ta i l dc o l l e c t i o nc a nb ee a s i i yd i s t u r b e db yn o i s e s t h e r ei sn op r o p e rf i e l de m i s s i o nt e s ts y s t e mi nh o m ea n db r o a d n i sp a p e rd e s i g n saf i e l de m i s s i o ns y s t e mt h a ti sa b l et 0m e a s u r er 如g e 白0 m 1 0 n at o1 r n a ，n a m e l y5 锄o u n tl e v e l s c u r r e n t ，u s i n gt h eh i g hd cp o w e rw h i c hi s e x i s t e di no u r l a b o r a t o a n dt h es y s t e mf u l f i l st h ef i e l de m i s s i o nt e s td e m a n d s ， t 1 l ep a p e rh a sd o n et h ef b u o w i n gj o b s ： 1 ( 乃n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ff i e l de m i s s i o nc u r r e m ，u s i n gl o g a r i t h m a m p l i f i e rt om e a s u r et h ec i l r r e n t t h es o l u t i o ni sv e r i f i e db yt h ee x p e 缸e n t 2 u s i n g 凹c 2 1 4 8m i 啪c 0 n t r o l u n i tt 0c o n t r o la dc o n v e r s i o n 粕dd a t a c o l l e c t i o n ，锄dd e s i 印e dh a r d w a r ec i f c i l i ta i l ds o f t w a r ep r 0 乎锄 3 u s i n gi r d at e c h i l o l o g yt or e a l k et h em e a s u r e m e n to fw e a k c u 玎e n ts i g n a li nh i 曲 v 0 l t a g ec o n d i t i o n 4 d e s i g n e su d i s ku s i i l gt h eo n c h i pn 弱hm e m 0 巧0 fl p c 2 1 4 8 ，觚da l s t u d y t h eu s b p r o t o c o la n dd e b u g st h eu s b i n t e 血c ci i lo r d e rt ou p l o a dt h ed a t ao fud i s k t op c s ot h a ti ti sc o n v e i l i e n tf o rf o l l o w i n gd a t ap r o c e s s n ep a p e rs u n 珊a r i z e st h ed e s i 弘0 ff i e l de m i s s i o nt e s s y s t e ma th s t ，粕d 酉v t h es h o r t a g e so ft h es y s t e m ，t h ef o l l o w i n gw o 咄卸ds o m e w h e r cd 鹪i r c dt 0b e i m p r o v e d 7 1 1 l ep a p e rh a sd o n et h ej o b so fd e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，p c bl a y o u t ，w e l d c 概i tb o a r d ，m a c h i n ea s s e m b l a g e ，s y s t e md e b u g 百n ga n dm e a s u r e m e n te x p e 血i l e n t t h ei 曲o v a t i o no ft h ep a p e ri su s i n gt h ei r d at e c h n o l o g yt or e a l 讫et h em e a s u r e m e n t o ff i e l de m i s s i o nc u r r e n ts i 舯a l i nh i g l lv o l t a g ec o n d i t i o n k e yw o r d s ：w e a ks i g n a im e a s u r e m e n t ：f i e i de m i s s i o nc u r r e n t ：h i g hv o i t a g e i s o i a t i o n ： r m ：u s b 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得或其他教育机构的学位或证 书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：；节啤 签字日期：。；! 年石月歹日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 邛彳 导师签字： 签字日期：) o 年月扩日 列为 签字日期：i 。歹年衫月 日 场发射测试系统的设计与实现 第一章前言 1 1 场发射显示技术 2 1 世纪是以信息产业为核心的知识经济时代。大容量信息传输，超快信息 传输处理，超高密度信息存储和良好的信息显示将成为信息科学与技术主要的发 展方向和技术目标。 视觉作为人类获取信息最直接最主要的手段，使得信息显示技术所提供的信 息量占人类获取信息量的7 0 以上，特别是随着现代科学技术的进步和社会的发 展，人类所接触的信息量也在不断地增加。统计表明，现在信息量的增长平均每 年在1 3 以上，今后更将提高到每年4 0 以上的增长速度。要将大量的信息及 时、准确地传递给其他人，显示技术成为其中不可或缺的环节，它是现代社会人 与信息间的联接桥梁。 信息技术产业的迅猛发展，带动了作为信息显示器件产业的发展。平板显示 器如彩色液晶( l i q u i dc g s t a jd i s p l a y ，l c d ) 、等离子显示器( p l a s m ad i s p l a yp a n e l ， p d p ) 在计算机和电视机中已经得到了普遍应用；蓝色发光二极管的研制成功使 得全色半导体发光二极管( l i 曲te m i s s i o nd i o d e ，l e d ) 大屏幕显示器在众多公 共场所的采用。新型有机电致发光器件( o 略a n i cl i 曲te m i s s i o nd e v i c e ，o l 壬d ) 和场发射显示( f i e l de m i s s i o nd i s p l a y ，f e d ) 技术的迅猛发展f ，为信息显示技 术产业的进一步发展注入了强大推动力，使之成为发展最快的产业之一。平板显 示是目前显示技术中的佼佼者，近年来新型发光器件和发光材料的研究和开发， 已成为高新技术中极为活跃的热点领域，场发射显示器件及场发射材料的研究即 是其中之一【& 1 2 1 。 场致电子发射简称场发射，是指在强外电场作用下，固体内部的自由电子逸 出表面的过程。在外电场作用下，固体表面势垒将发生弯曲，导致表面势垒高度 降低，势垒宽度被压缩。当外电场足够强、表面势垒的宽度窄到可以同电子波长 相比拟时，电子的隧穿效应就起着重要作用，即不必给电子提供额外的能量，也 可使固体内部的电子穿透表面势垒进入真空。英国科学家f 0 w l c r 和n o r d h e 曲【1 3 1 首先利用量子力学的观点对金属的场发射过程进行了解释，称为f - n 理论。 场发射显示就是利用场发射电子源阵列替代c r t ( 阴极射线管) 中的热电 子源，利用类似于液晶显示的x y 矩阵寻址替代c r t 的电子束扫描寻址，从 场发射测试系统的设计与实现 而省略c r t 中的电子束扫描空间，达到压缩c r t 的体积，实现平板化的目的。 从显示原理来看，场发射显示与c i 玎的显示原理是一样的，都是利用电子束激 发荧光粉发光来实现发光显示。简单的说，f e d 是c i 盯的平板化。c l 汀的基本 结构如图1 1 所示【1 4 1 。 电 图1 1 阴极射线显像管的基本结构 域) 缀) 场发射显示器是由场发射电子源阵列即阴极板、荧光屏即阳极板、驱动电路 等三部分组成，基本结构如图1 2 所示。图示是一个基本的场发射显示单元，阳 极荧光屏由红、绿、蓝三基色荧光粉排列组成，每个荧光屏中的象素点对应着阴 极板中的成千上万个场发射电子源，外部电源为驱动电路，大量这样的显示单元 构成了场发射显示面板。图中冷阴极是高温金属微尖阵列，一般称为s p i n d t 结 图1 2 场发射显示器件原理图 2 场发射测试系统的设计与实现 构阴极1 1 5 】，其作用是在栅极电场的作用下发射电子。在栅极电压作用下从阴极 发射的电子，在高压阳极( 荧光屏：1 0 k v 以上) 作用下加速，并轰击荧光屏上 的荧光粉，实现荧光粉的发光。 由上述的讨论可知，场发射测试显著的特点是，它需要很高的电场，这通过 高电压来实现。在实验室进行实际进行测试时，高电压一般不超过6 0 0 0 v 。 1 2 场发射测试的基本原理及特点 场发射测试主要用来测量高压下场发射材料的发射电流，电流随高压电源对 材料施加的电压不同而不同。图1 3 为碳纳米管场发射的典型i - v 曲线和f n 曲 f ( m v ，i n ) 图1 3 碳纳米管典型的场发射曲线【1 6 】 线。 由图可见，场发射电流很宽，实际上能宽到从n a 量级到m a 量级，即有5 6 个数量级范围。同时可见，在确定的场强下，发射电流不变，即高压固定不变时， 稳定的场发射电流为直流信号。 实际场发射测试时，是在真空度为4 2 1 0 巧p a 的超高真空室中进行的。利用 直径为5 0 1 m 的铜棒作为阳极( 施加正高压) ，分别将一根生长有碳纳米管的钨 丝、不锈钢丝作为阴极，进行场发射测试。测试装置电路图如图1 - 4 所示。阳极 ( 铜棒) 和阴极( 碳纳米管) 之间的距离为1 o 咖，衬底温度可通过基座下的加 热电阻丝来调节。 3 场发射测试系统的设计与实现 真空腔体 金属阳极 金属微尖 加热电阻 图1 - 4 场发射测试装置图 由图可见，真空系统负极直接接地，所以不能在地端连接电流表进行测试。 为了实现数据的采集，需要将高压端测量系统与弱电数据采集系统隔离。 综上所述可见，场发射测试有两个主要特点：l ，场发射电流随着所施加的 电压高低而不同，一般来说，实际测试时，为了更好的对材料的场发射特性进行 研究，要求能从i a m a 进行测量；2 ，场发射需要很高的电压来实现所需要的 强电场，而实际测试时，要求从高电压端测量场发射电流。 在本实验室进行场发射测试实验时，是采用了微安表头串联进高压端，这种 情况下，不能测测量微安以下的电流，而且测量精度比较低。于是迫切需要研究 能在高压下测量弱电流的专用测量系统。 1 3 国内外研究现状 国外，安捷伦与吉时利公司有相关仪器。安捷伦的产品可以精密测量电流， 不能提供高压；吉时利的产品电压和电流精度高，但同样能提供的电压不够。 下面就安捷伦和吉时利公司的典型产品的测试性能进行介绍。 安捷伦半导体参数分析仪4 1 5 5 c 主要应用于对半导体i c d 丌检定或光学 工艺技术进行快速c - v 和i i v 测量；全自动软件，互动控制仪器和分析统计数 据。其电流测量分辨率1 0 队，电压测量分辨率0 2 鼻剐1 刀。 安捷伦4 3 3 9 b 高阻测试仪是安捷伦最先进的用于精确测量高阻的仪器。可 以测量的参数：r ( 直流电阻) ，i ( 直流电流) ，p s ( 表面电阻率) ，p v ( 体电阻率) 。 可提供测试电压：0 1 1 0 0 0 v d c ，0 1 以0 0 v 时，以0 1 v 步进；2 0 0 1 删d c 时， 以1 v 步进。电压精度： 2 0 0 v 时为 ( o 1 6 + 5 0 0 m v ) 。对于电流，其测量范围为6 0 队1 0 呲，基本精度0 4 1 1 8 1 。 4 场发射测试系统的设计与实现 吉时利2 3 7 型高电压源测量单元，电流测量精度1 0 a ，电压测量精度1 咄v ； 能提供1 1 0 0 v 电压源和测量范围。其性能指标如表1 1 和表1 2 所示1 1 9 】。 表1 1 吉时利2 3 7 型高电压源测量单元技术指标( 1 ) 电压源 范围步长精度( 1 年，1 8 2 8 ) 1 1 0 0 0 v1 0 毗v ( 0 0 3 3 + 6 5 毗v ) 1 1 0 0 0 v1 m v ( 0 0 3 3 + 2 4 m v ) 1 1 0 o o v1 0 m v ( 0 0 3 3 + 2 4 m v ) 1 1 0 0 。o v1 0 0 m v ( 0 0 4 + 2 4 0 m v ) 表1 2 吉时利2 3 7 型高电压源测量单元技术指标( 2 ) 电流测量能力 分辨率精度 4 位5 位 ( 1 年，1 8 2 8 ) 1 0 0 队1 0 f a ( 0 3 + 1 0 0 a ) l p a 1 0 0 a ( o 3 + 1 p a j 1 0 p a1 p a( o 2 1 + 6 p a ) 1 0 0 p a 10 _ p a ( 0 0 4 + 6 p a ) 1 n a 1 0 0 p i a( 0 0 3 5 + 7 0 0 p a ) 1 呲 1 n a ( o 0 3 5 + 6 n a ) 1 0 0 i a1 0 n a ( 0 0 3 5 + 6 0 i l 地a 1 0 i ) i 姨 ( 0 0 3 8 + 6 0 0 i 】a ) 1 咄a批a( 0 1 + 酗a ) 国内，天津东文生产的d w 二p 3 0 3 1 a c c c 型高压数显电源，能提供输出电压 0 3 0 0 0 0 v d c ，电压表头显示精度0 。0 5 ，毫安电流表头显示精度0 3 。 分析上述仪器的性能可以发现，上述仪器有的电源电流测量能力很强，但是 不能提供场发射需要的高压，有的虽然可以提供足够的高压，但是电流测量能力 不足。吉时利和安捷伦的仪器能精确测量电流，但是不能提供场发射所需要的高 压。而天津东文的高压数显电源，虽然能够提供足够高的电压，但是其对于微弱 5 场发射测试系统的设计与实现 电流测量能力不够。 实际上，能在高压端测量弱电流的系统很少有，尤其是电压高达几千伏的仪 器。于是，为了便于进行场发射测试的基础理论研究，加快场发射显示器的研究 进程，就需要开发专门的发射测试系统。 1 4 本课题研究目的及本论文内容安排 本课题根据本实验室现有的天津东文高压电源特点，主要就其电流测量能力 的不足，进行了改进，使之从原来仅能从低压端测量微安级的电流，达到能测量 n a 级的电流，并且是在高压端实现电流的测量。 针对被测电流信号很宽的测量方法，查阅了很多文献，对几种测量方法，进 行了研究，选择了最合适的方法，采用了对数运算放大器来压缩宽达多个数量级 的测量信号，避免了使用更复杂的方法，简化了电路，有利于微弱信号测量时噪 声的抑制。 针对高压下微弱信号测量的数据采集，研究了几种解决的方法，选取红外传 输方式，对高端和低端电路板进行高压隔离。 对于高压信号的测量，采用运算放大器q 够1 4 0 ，将现有高压电源衰减输出 的信号进行放大。 为了实现数据的大容量存储，便于对数据进行后续分析和处理，设计了基于 l p c 2 1 4 8 片上h a s h 的模拟u 盘，研究了u s b 协议，进行了u s b 接口编程与调 试，可以通过u s b 接口将r a s hu 盘数据上传到计算机。 对场发射测试系统的电流测量精度进行了初步分析，对于实际测量操作过程 中需要注意的问题，进行了讨论分析。 本论文的内容安排，第一章是前言，第二章详细介绍了硬件设计，第三章主 要介绍了软件设计，给出了软件流程图，第四章为u 盘与u s b 传输模块的设计 与实现，对研究了u s b 协议相关协议，给出了u 盘总体设计框架，第五章对系 统进行了初步的粗略的验证测量实验，讨论了误差来源以及使用注意事项，第六 章是总结与展望，指出了下一步工作。 6 场发射测试系统的设计与实现 第二章硬件电路设计 2 1 系统原理框图 场发射测试系统组成简图如图2 1 所示。 图2 1 场发射测试系统组成简图 其中，虚线内所示部分为本论文的工作，主要包括：场发射电流测量，高压 测量。高压测量时所取信号从高压电源的衰减器输出取得，衰减器输出电压为高 压输出值的l 1 0 0 0 0 0 ，即高压电源输出高压为o 6 0 0 0 y 时，衰减器输出为o 0 0 6 v 。需要测量的场发射电流为直流l o n a l m a 信号。 2 2 场发射电流测量 2 2 1 微弱电流测量技术 对于微弱电流测量，主要是采用低偏置电流的集成运算放大器，但是对5 个数量级这么宽范围的电流信号进行测量，仅仅使用普通集成运算放大器是不行 的。对宽范围信号实现测量，主要的解决方法有： ( 1 ) 将普通放大器设计成程控放大器，一般使用t 型电阻网络，放大增益仅 与外部t 型电阻网络有关，选用不同的t 型网络电阻比例，即可得到不同增益 扩展。使用单片机控制模拟开关切换不同t 型网络，可获得多个程控增益。需 要注意的是，模拟开关接通或断开需要一定时间，因此程序中在改变增益到数据 采集要有一定延时。而且，模拟开关本身的电阻，对精度有一些影响； 7 场发射测试系统的设计与实现 ( 2 ) 采用单片集成程控放大器，价格高，而且放大倍数不能自定义。需要较 高增益时，必须多级串联，使电路成本较高； ( 3 ) 采用对数运算放大器。对数放大器是输入输出信号成对数关系的器件。 输入信号的动态范围可以很大，它能实现精确的对数变换，很适合数据压缩，动 态范围可达1 2 0 d b 。 综合比较上述各种方法，选用了对数运算放大器来进行测量。 2 2 2 模拟信号调理 经过比较选择，选用了对数运算放大器m a x 4 2 0 6 。m a x 4 2 0 6 是m 啪m 公司生产的一款集成对数放大器。该器件只需要极少的外围元件即可工作。其主 要特性如下l 冽： ( 1 ) 可工作于+ 2 7 v 至+ 1 1 v 单电源，或2 7 v 至5 5 v 双电源； ( 2 ) 具有测量1 0 0 d b 的输入电流能力，1 0 a 至1 l i a 的动态范围； ( 3 ) 在1 i a 1 触范围单调变化； ( 4 ) o 2 5 v 1 0 倍内部输出比例因子； ( 5 ) 可调输出比例因子； ( 6 ) 可调输出偏置电压； 内置1 0 1 1 a 1 毗a 基准电流源； ( 8 ) 0 5 v 共模电压； ( 9 ) 超小1 6 脚n 血q f n 封装( 4 玎地x 铀加xo 8 m m ) ； ( 1 0 ) 工作温度范围4 0 0 c 一8 5 0 c 。 m a x 4 2 0 6 可通过外部电阻产生一个可调的精密电流基准，该电阻可调节 心4 2 0 6 的对数截止点。输出失调电压、可调节的比例因子k 由外部电阻来设 置。m a x 4 2 0 6 内部电路组成框图如图2 2 所示。m a x 4 2 0 6 内部电路主要包括， 通用运算放大电路，b 盱反馈，差分放大器，温度补偿电路，片内基准电流产生 电路，比例因子调节电路。 8 场发射测试系统的设计与实现 图2 2m a x 4 2 0 6 内部电路组成框图 m a x 4 2 0 6 具体管脚描述表2 1 所示。 表2 1m a x 4 2 0 6 管脚描述 管脚名称描述 1n c 空脚，不连接。 2r e f v o u t1 2 3 8 v 基准电压输出脚，用0 扯f 电容连接到地( 可选) 。 3g n d地 4 v e e 负电源脚，用0 m f 电容连接到地。 5l o g v l 对数放大输出电压l ，输出比例因子0 2 5 v 1 0 倍。 6 o s a d j偏置调节输入，单电源供电时，输入到此脚的电流调节输 出偏置电压。 7s c a l e 比例因子输入脚。使用可调电阻调节l o g 2 输出比例因子。 8l o g v 2 对数放大电压出数2 ，使用可调电阻调节l o g 2 输出比例 因子。 9n c 空脚，不连接。 1 0v c c 正电源脚，用0 啦f 电容连接到地。 1 1r e f i s e t基准电流输入调节脚。通过连接r e f l s e t 和g n d 之间的 电阻，调节i 洹f i o u t 脚的输入电流。 1 2c n o u t 0 5 v 共模基准电压输出。用o m f 电容连接到地。 1 3r e f i o u t 基准电流输出。内部基准电流输出可由此脚得到。 1 4r e f n基准电流输入。 9 场发射测试系统的设计与实现 1 5l o g n测量电流输入。 1 6 c f 、厂i n共模电压输入。 为了对所选用方案进行验证，初步设计时，首先对m a x 4 2 0 6 专门设计了 p c b ，对1 0 n a 5 m a 的输入电流进行了多次实际测量，电路原理图如图2 3 所示。 图2 3m a x 4 2 0 6 外围电路原理图 测量前，先对m a x 4 2 0 6 输出失调电压进行调节，令k = k f ，调节电位器 使输出电压为零。 如图2 4 为其中一次实验数据的线性拟合图，共测试了5 5 个点。拟合结果 各项参数如表2 2 所示，k = 1 0 2 7 6 ，与理论值o 9 7 5 很接近。由图可以看出， l o g l o ( i i n i r e f ) 和v o u t 之比线性良好。 表2 2y = a + k 宰x 参截距斜率相关参数拟合标准差数据点数目概率值 数ak r s dnp 值 o 0 4 9 1 11 0 2 7 6- 0 9 9 9 90 0 2 6 5 95 5一。omlio弓dlr、o 场发射测试系统的设计与实现 得= 斋“0 0 比 其中，r 取1 0 k ，带入公式，取c = 0 弘f 。 2 2 3a d 转换电路 模数转换器选用了a d 9 7 7 。a d 9 7 7 是a d i 公司生产的一款快速1 6 位 b i c m o s 模数转换器。其主要特性为【2 1 l ： ( 1 ) 吞吐率2 0 0 k s p s ； ( 2 ) 单电源供电，工作电压为5 v ； ( 3 ) 功耗低，最大功耗1 0 0 | i n w ，低功耗模式时仅5 毗w ； ( 4 ) 输入范围：单极性o v 一1 0 v ，o v 巧v ，o v 4 v ：双极性1 0 v ，5 v ，3 3 v ； ( 5 ) 可选内部2 5v 基准电压； ( 6 ) 高速串行接口； 具有内部时钟。 a d 9 7 7 管脚描述如表2 3 所示。 表2 3a d 9 7 7 管脚描述( s o i c 封装) 管脚名称 描述 1 、r 1 玳， 模拟信号输入 3 、4r 2 玳，r 3 玳 2 a g n d l模拟地。作为r e f 脚的参考地。 5 c a p 基准电压缓冲器输出。用2 2 f 钽电容连接q 廿和模拟地。 6 l 也f 2 5 v 参考电压输入腧出 7 a g n d 2 模拟地 8转换结果数据格式选择。低电平时，格式为二进制补码形 s b b t c 式；高电平时，格式为原码形式。 9 内部外部时钟选择脚。 e x t d 丌 1 0 d g n d 数字地 1 1 s y n c 外部时钟时，此脚数字输出帧同步。读时序开始时，输出 一个与外部数据时钟同步的d 朋隗c l k 周期宽的脉冲。 1 2 d a t a c l k 串行数据时钟输入或输出。 1 3 刃a 踢 串行数据输出，与d 觚a c l k 同步。转换结果存储在一个 场发射测试系统的设计与实现 片上寄存器。 1 4 弘g 使用外部时钟时，此脚输入可以用来将两个或多个a d 9 7 7 的转换结果在一根d 觚a 数据线上形成链。 1 5 读转换输入。用来控制转换模式和读模式。 彤c 1 6片选输入。当i v c 为低电平时，此脚上的下降沿将启动转 c s 换。当眦为高电平时，此脚上的下降沿将使能串行数据 输出。 1 7忙信号输出。当转换开始时，此脚被拉低，一直到转换结 b u s y 束，转换数据被锁存到片上移位寄存器。 1 8p 、己d低功耗输入。当被置为逻辑高电平时，功耗将减小，转换 也被禁止。先前的转换结果被存储在移位寄存器中。 1 9彭删 5 v 模拟供电电源。 2 0 v d i g 5 v 数字供电电源。 本系统设计m a x 4 2 0 6 输出电压范围为3 v ，即a d 9 7 7 输入为双极性模拟 电压信号，设计a d 9 7 7 电路的输入信号范围5 v ，采用外部时钟。 a d 9 7 7 外围电路原理图如图2 6 所示。 a d 9 7 7 图2 6 a d 9 7 7 外围电路原理图 场发射测试系统的设计与实现 2 2 4 高压隔离电路设计 高压隔离的原因和目的，一方面，现有的真空测试系统，负极接外壳后直接 接地，客观上要求必须在高压端测量：另一方面，为了实现测量数据的采集。 常用的隔离方法有，使用光耦，光纤，霍尔传感器，等方法。 其中，光耦所能实现的最高隔离电压比较低，很难达到场发射测试的使用要 求，而且采用光耦的话，电路也比较复杂，在电路上易增加噪声，不利于弱信号 的测量。 相比之下，光纤有很大的优势。采用光纤，能实现很高的电压隔离，但是光 纤收发器价格很高，导致成本会很高。 在高压强电流测量中，经常使用霍尔传感器来测强电流。根据霍尔传感器的 测量原理，弱电流测量不容易实现。 综上所述，选用了红外通信方式实现信号的采集。红外通信的优势在于，它 具有成熟的技术，而且成本很低。 下面详述红外通信系统设计。 红外通信以红外光作为通信载体，它由红外发射器和红外接收器来完成阎。 在发射端，发送的数字信号经过适当的调制编码后，送入电光变换电路，经红外 发射器转变为红外光脉冲发射到接收端：在接收端，红外接收器对接收到的红外 光脉冲进行光电变换，解调译码后恢复出原信号。 通常两个红外设备必须在视线上直接对准，才能进行数据交换，这就提供了 一个固有的安全品质保证。红外光不会穿墙而过，因而在一个封闭的区域内，红 外光是一种安全的传输媒介瞄】。 微控制器之间的红外通信原理框图如图2 7 所示，微控制器l p c 2 1 4 8 本身 不具备红外通信接口，利用其u a r t l 与片外红外器件接口构成红外通信系统。 微 r x 编 控 一 一 红外 制 1 解 t x 收发 - l 码 模组器 器 图2 - 7 红外通信原理框图 1 4 场发射测试系统的设计与实现 红外收发系统器件选用了t o i m 4 2 3 2 和t f d u 4 1 0 0 ，使用微控制器l p c 2 1 4 8 进行通信和数据传输控制。 t o i m 4 2 3 2 是s h a y 公司生产的红外编解码器。其主要特性有【刎： ( 1 ) 脉冲整形功能，用于s mi r d a 应用； ( 2 ) 通过r s 2 3 2 与s 瓜收发器t i d 系列直接接口： ( 3 ) 内置1 2 0 0 h z 1 1 5 2 l 【h z 可编程时钟发生器； ( 4 ) 可选3 1 6 位或1 6 2 耻s 脉宽： ( 5 ) 宽工作电压范围，2 7v 岛6v ，最高能承受5 v 电压； ( 6 ) 低工作电流； s o 1 6 封装。 t o i m 4 2 3 2 内部结构框图如图2 8 所示。 编解 码器 霉 波形 发生器 l 。k 7 旷 晶振 i x i 厂 i x 图2 8t o i m 4 2 3 2 内部结构图 1 o i m 4 2 3 2 管脚描述如表2 4 所示。 t dn t r d t d d 。 一 一 ：一 皿一劝一融驼 场发射测试系统的设计与实现 表2 - 41 o i m 4 2 3 2 管脚描述 管脚描述 描述 1 r e s e t复位内部寄存器。初始电平为1 将复位内部所有寄存器， 使i r d a 恢复默认速度9 6 0 0 b i 怕，脉宽1 6 2 私s 2b 列db l vd = 0 ，数据通信模式；b l vd = 1 ，编程模式：此时， 从r s 2 3 2 接收到的数据被认为是控制字。通过编程，控制 波特率和脉宽，当此管脚被拉低时，通过控制字所设置的 波特率和脉宽开始有效。 3r d2 3 2输出数据到r s 2 3 2 心( 通过电平转换器) 。 4 t d2 3 2 从r s 2 3 2d ( 通过电平转换器) 传输的数据输入脚。 5v c cs d输出与r e s e t 相反的信号。可以用来关闭4 0 0 0 系列收发器 的电源。 6 x 1 晶振输入：外部时钟输入 7x 2 晶振 8g n d地 9 1 1 ) _ i j b d发送指示l e d 驱动。 1 0 砒) - u d 接收指示l e d 驱动。 1 1n c空脚 1 2s 1 用户编程位。可用来开关前端收发器。 +一 1 3s 2用户编程位。可用来开关前端收发器。 1 4t d 瓜 红外收发器数据输出脚。 1 5r d 乇 红外收发器数据输入脚。脉宽最少1 6 私s 1 6v c c 电源 n d u 4 1 0 0 是t e l e f u n l 【e ns e 血c 0 n d u c t o r 公司的低功耗红外收发模组，其主 要特性有瞄l ： ( 1 ) 支持串行红外通信i r d a l 2 标准，最高支持1 1 5 2 k b i 帕通信速度； ( 2 ) 宽工作电压范围2 7 巧5 v ： ( 3 ) 低功耗，工作电流1 3 m a ，睡眠模式下电流低达5 n a ； 1 6 场发射测试系统的设计与实现 ( 4 ) 通信距离长，传输速度1 1 5 2 k b i 临时能达到3 0 m ； ( 5 ) 仅需很少的外围元件即可工作； ( 6 ) 附带e m i 保护，无需额外的屏蔽措施。 1 r i u 4 1 0 0 具体管脚描述如表2 5 所示。 表2 5n d u 4 1 0 0 管脚描述 管脚作用 描述i o 1 己e da n o d e 口r e da m o d e ，通过限流电阻连接到v c c 2 。 2 珏逻dc a t h o d e i r e dc a t h o d e ，内部被连接到驱动晶体管。 3 t x d 发送数据输入 i 4 r x d 接收数据输出。发送过程中，此管脚不活动。o 5 n c 不连接 6 v c c l s d 供电电源关闭 7 s c 灵敏度控制 i 8 g n d 地 红外通信部分相关硬件外围电路原理图如图2 9 所示。 2 2 疋一2 2 d 图2 9 红外通信器件外围电路原理图 1 7 场发射测试系统的设计与实现 2 3 高压测量 2 3 1 信号调理 实验室已有高压电源是天津东文高压电源，它提供6 0 0 0 v 高压衰减后的输 出信号为0 一o 0 6 v 。 采用集成运算放大器q 够1 4 0 进行信号放大。c a 3 1 4 0 主要特性有【2 6 】： ( 1 ) m o s h t 输入级； ( 2 ) 非常高的输入阻抗( z 曲，1 5 t o ( 典型值) ； ( 3 ) 非常低的输入偏置电流，1 0 p a ( 典型值) ，1 5 v 供电时； ( 4 ) 宽共模输入电压范围； 可以双电源或单电源供电，工作电压范围4 v 6 v ，而且价格低廉。 g 够1 4 0 将被测量电压输出信号进行放大，r c 滤波后，输出信号直接送入 l p c 2 1 4 8 微控制器，使用其自带的1 0 位a d c 进行模数转换。 g 够1 4 0 外围电路图原理如图2 1 0 所示。 图2 1 0 c a 3 1 4 0 外围电路原理图 2 。3 2a d 转换电路 选用i j p c 2 1 4 8 片上l o 位a d c 进行模数转换。如图2 1 0 所示，输出信号连 接到l p c 2 1 4 8 的管脚9 ，即使用其片上a d c 0 ，通道4 。 1 8 场发射测试系统的设计与实现 2 4 微控制器l p c 2 1 4 8 选用了m 口公司生产的i j p c 2 1 4 8 作为系统主控制器，整个系统的a d 转换、 红外通信、软件滤波、l ( m 显示、数据采集等任务都由它来控制实现。 2 4 1l p c 2 1 4 8 简介 l p c 2 1 4 8 是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的3 2 1 6 位a r m 7t d m i s c p u 的微控制器，并带3 2 k bs 黜镰i 和5 1 2 k b 嵌入的高速f 1 a s h 存储器。1 2 8 位 宽度的存储器接口和独特的加速结构使3 2 位代码能够在最大时钟速率下运行。 可使用1 6 位t h u m b 模式将代码规模降低超过3 0 ，而性能的损失却很小【2 7 1 。 较小的封装和很低的功耗使i j p c 2 1 4 8 特别适用于访问控制和p o s 机等小 型应用中；内置宽范围的串行通信接口( 全速u s b2 0d e v i c e 、多个u a r t 、s p i 、 s s p 和1 2 c 总线接口) 和8 k b 到4 0 k b 的片上s 凡气m ，也非常适合于通信网关、 协议转换器、软件m o d e m 、语音识别、低端成像，为这些应用提供大规模的缓 冲区和强大的处理功能。此外，还有多个3 2 位定时器、2 个1 0 位a d c 、1 0 位 d a c 、p w m 通道、4 5 个高速g p i o 口以及多达9 个边沿或电平触发的外部中 断管脚。 l p c 2 1 4 8 的特性如下： ( 1 ) 1 6 3 2 位a r m 7 1 d m i s 微控制器，超小l q f p 6 4 封装； ( 2 ) 4 0 k b 的片上静态ra m 和5 1 2 k b 的片上h 弱h 程序存储器，1 2 8 位宽度 接口加速器可实现高达6 0m h z 工作频率； ( 3 ) 通过片内b 0 0 t 装载程序实现在系统编程在应用编程( i s p i a p ) ，单个 f l a s h 扇区或整片擦除时间为4 0 0 l i n s ，2 5 6 字节编程时间为1 m s ； ( 4 ) e m b e d d e d i c er t 和嵌入式跟踪接口提供实时调试( 通过片内 r e a i m o i l i t o r 软件) 和高速跟踪指令的执行； ( 5 ) u s b2 o 全速设备控制器具有2 k b 的端点蔓渔m ，此外，提供8 k b 的片上 i 乙蝴，可被u s b 的d m a 控制器访问； ( 6 ) 2 个1 0 位a d 转换器，提供总共1 4 路模拟输入，每个通道的转换时间 低至2 4 缸s ； 1 个1 0 位的d a 转换器提供可变的模拟输出； ( 8 ) 2 个3 2 位定时器外部事件计数器( 带4 路捕获和4 路比较通道) 、p w m 1 9 场发射测试系统的设计与实现 单元( 6 路输出) 和看门狗； ( 9 ) 低功耗实时时钟( r 陀) 具有独立的电源和特定的3 2 k h z 时钟输入； ( 1 0 ) 多个串行接口，包括2 个u 删1 6 c 5 5 0 ) 、2 个高速1 2 c 总线( 4 0 0k b i t 固、 s p i 和具有缓冲作用和数据长度可变功能的s s p ： ( 1 1 ) 向量中断控制器m c ) ，可配置优先级和向量地址； ( 1 2 ) 多达4 5 个可承受5 v 电压的通用i o 口； ( 1 3 ) 多达9 个边沿或电平触发的外部中断管脚； ( 1 4 ) 通过一个可编程的片内p l l ( 1 0 唯s 的设置时间) 可实现最大为6 0 m h z 的c p u 操作频率； ( 1 5 ) 片内集成振荡器可操作频率为1 3 0 m h z 的外部晶体