自动阻抗匹配器硬件系统的研制及相关特性的研究.pdf

第l 章绪论实现理想功率传输而在源和负载之间进行阻抗匹配事实上，许多实际的匹配网络除了减少功率损耗功能外还有其他功能，比如减小噪声干扰、提高功率容量和提高频率响应的线性度等通常认为，匹配网络的用途就是实现阻抗变换，就是将给定的阻抗值变换成其它更适合的阻抗值自动阻抗匹配器能够及时跟踪等离子体负载复杂的阻抗变化，保证负载和源之间阻抗匹配，从而保证从射频源输出的功能都能被等离子体负载全部吸收，进而提高半导体加工的工艺水平1 ．2 国内外研究概况目前，国内只能生产手动调节的阻抗匹配器，其完全依靠使用者凭经验进行调节，其匹配精度低，反应时间长，从而制约着低温等离子体应用研究水平的提高随着周围环境温度等因素的影响，负载特性会发生相当的变化[ 6 】，手动调节由于无法快速进行及时地阻抗匹配，等离子体的特性就会发生波动，当等离子体应用于高精度半导体加工工艺中时，这种波动往往是非常致命的，最终导致加工失败[ 7 】关于自动匹配网络及自动匹配算法，国外很早就有人开始研究[ 8 】最早利用反射系数的模和相位信息来控制自动匹配网络后来有人提出只利用反射系数的模来控制匹配网络的方法两者的相似点都是利用的模的梯度信息，通过搜寻使反射系数达到设定匹配条件下反射系数阈值，实现自动阻抗匹配的【9 ] 【1 0 】。

另外的一些研究人员利用神经网络和遗传算法等人工智能算法，也得到了一些比较好的自动匹配结果[ 1 1 】[ 1 2 】由于自动阻抗匹配网络应用的普遍性国外很多先进生产工艺控制设备供应商都有全系列的自动阻抗匹配设备比如美国的M K S 生产的M W H 系列产品，能够实现5 秒内使反射系数 扩展内存控制器( F P ／F D O ／S D R A M 控制，片选逻辑) ；>带8 K B 缓存的2 ．5 V 静态A I 己M 7 T D M IC P U 核：>带有1 个专用D M A 通道的L C D 控制器；> 2 个通用D M A 通道，1 个带外部请求管脚的D M A 通道；>1 个多主机1 2 C 总线控制器；> 5 个P W M 定时器及1 个内部定时器；> 看门狗定时器；> 7 1 个通用I ／O 口，8 个外部中断源；> 能量控制模式：正常、低、休眠和停止模式；>8 个1 0 位A D C ：> 带P L L 的片上时钟发生器S 3 C 4 4 B O X 的体系结构如图3 ．2 所示1 8第3 章硬件系统研制( 2 ) 低功耗：U S B 有一套独特的电气层机制来保证其低功耗，此外U S B协议为设备定义了两种供电模式——自供电和总线供电，在总线供电模式下，U S B 设备不需要任何外接电源设备，从而简化了硬件设备；( 3 ) 可选择的多种速度模式：U S B 提供了三种速度模式——低速的1 ．5 M b p s 、全速的1 2 M b p s 以及高速的4 8 0 M b p s ，不同的速度可满足不同的外设需要，1 2 M b p s 的速度基本上能够满足工业和嵌入式领域内的很多场合；( 4 ) 完备的总线拓扑结构：U S B 菊花链式的星形总线结构，能够支持多达1 2 7 个外设的同时连接，充分满足了外设的需求；( 5 ) 多种设备类：从视频音频设备、大容量存储设备到人机接口设备等待几乎各种计算机外设都可以在U S B 中找到相应的支持；( 6 ) 低廉的价格：由于U S B 获得了广泛的软硬件支持，因此随着大量的产品出现，必然会降低U S B 从芯片到设备的价格。

本文采用的嵌入式U S B 从机接口芯片是P h i l l i p s 公司的U S B 控制芯片P D I U S B D l 2 这是一个性能优化的U S B 器件，通常用于基于微控制器的系统，并通过高速通用并行接口与微控制器进行通信，而且支持本地D M A 传输P D I U S B D l 2 的主要特点如下：·可作为U S B 主机或者是设备的接口控制器：·支持U S B 协议1 ．1 ，提供全速和低速两种总线速度方式：·片上集成了S I E 、单端口根H u b 、U S B 收发器和3 2 0 字节的S R A M ；·3 ．3 V 工作电压，接口兼容5 V 电平；·硬件自动产生帧起始包S O F 和C R C 5 ／1 6 校验·P D I U S B D l 2 还集成了S o R C o I l l l e c t 、G o o d L i n k 、可编程时钟输出、低频晶振和终端电阻等特性处理器与P D I U S B D l 2 的连线如图3 ．7 8 位数据总线，中断请求引脚接S 3 C 4 4 B O X 的外部中断3 ，片选连到处理器的n G C S 4 ，即B a n k 4 ，A O 是地址指针信号。

D + 和D ．是与U S B 设备相连的数据信号P D I U S B D l 2 片内有三个端口0 、1 、2 ，共3 2 0 个字节的内部缓冲区通过接口，处理器可以对这些内容进行访问由于U S B 接在S 3 C 4 4 8 0 X 的B a n k 4 上，因此P D I U S B D l 2 的R A M 基址是0 x 0 8 0 0 0 0 0 0 第3 章硬件系统研制图3 ．7P D I U s B D l 2 连线图键盘系统在大部分情况下处在自动运行状态下，当需要设置系统参数或是手动匹配时，用户通过键盘输入本系统按键采用扫描方式获得，经过施密特触发器去抖后输入S 3 C 4 4 B O X 的外部中断引脚电路原理图如图3 ．8 所示图3 ．8 扫描键盘电路图键盘扫描线等间隔的将4 根扫描线分别拉低我们将从第一根扫描线下降沿开始到第四根扫描线上升沿结束称为一个扫描周期一般情况下，人按键的最快2 4第3 章硬件系统研制频率大概为每秒1 0 次如果将扫描周期定为5 0 m s ( 即每秒2 0 次) ，那么S 3 C 4 4 8 0 X将能检测到每次按键当键盘矩阵中某个按键被按下，扫描线循环到按键所在的扫描线时，对应的检测线由于被按键短接到扫描线，此时会在检测线上产生一个低电平脉冲。

将S 3 C 4 4 B O X 的外部中断口设置为下降沿出发，这个低电平脉冲会产生外部中断事件在中断处理程序里根据当前的扫描线和检测线位置查表即可得到按键扫描线波形和检测线波形如图3 ．9 所示V C CL1 f s’，rL1 - ／s，L百| s●lIlIL 厂L气} s图3 ．9 键盘扫描波形图弋| s扫描线1扫描线2扫描线3扫描线4检测线1检测线2检测线3检测线4第3 章硬件系统研制0V D 【O ：7 J} ＼v D I O ：7 lK、，yV C L KV C L K V L I N E二V L I N E二S 3C 4 4 8 0 X7 4 H C l6 2 4 4L C DV F R A M E二V F R A M E二 V M二V M二E L —o N二E L —o N二 D I s P - O N二D I s P —o N二图3 ．1 lS 3 C 4 4 B O X 与L C D 屏连接示意图7 4 H C l 6 2 4 4 是1 6 位3 态总线接收器[ 3 0 】它串接在S 3 C 4 4 8 0 X 与液晶屏之间主要作用是增强L C D 这边总线驱动能力；其次是降低由接入L C D 带来的对S 3 C 4 4 B O X 的影响。

本设计使用的2 5 6 色S T N 屏，点阵为4 8 0 x 2 4 0 图中V D 【O ：7 】是数据线，V C L K 是象素时钟信号，v L I N E 是时钟同步信号，V F R A M E 是帧同步信号，E LO N 是背光控制信号，D I S PO N 是驱动逻辑使能信号，V M 是L C D驱动器使用的交流信号3 ．2 功率采集本文描述的应用中，从定向耦合器出来并经过半桥整流和滤波后的入射和反射功率比例信号会随着射频源功率变化而变化，因此一个量程选择开关是必要的本文描述的系统使用双刀继电器选择不同的采样电阻来达到改变量程的目的由于本系统主要应用在高功率射频工作环境下，应此从定向耦合器出来的采样信号主要噪声为1 3 ．5 6 M H z 射频信号通过空间耦合而来，这就需要设计一个低通滤波器降低该噪声对采样的影响由于定向耦合器输出信号是通过电流互感器和电压互感器产生的信号，因此该信号量驱动能力非常有限为了保证模拟信号被A D 采样为数字信号时仍然具有较强的信号，利用放大器具有高输入阻抗特性，一个隔离放大器被串连在低通滤波器与A D 之间由于数字电路上使用的开关电源会带进5 0 H z 的工频干扰信号，所以经过A D 采样后的数字信号需要被一个数字滤波器滤除工频干扰。

系统功率采集电路图如图第3 章硬件系统研制3 ．2 ．1 定向耦合器图3 ．1 2 系统功率采集电路图定向耦合器是一个3 端口器件或电路：一个输入口，一个输出口和一个耦合输出口理想的耦合输出口只对来自某一方向的电磁能量进行取样，而对另外一个方向的电磁能量不敏感良好的定向耦合器的取样量( 称为耦合系数) 应该在使用频率范围内是平坦的( f l a t I l e s s ) 方向性( D i r e c t i v i t y ) 也是定向耦合器的一个重要指标，它是指耦合输出口对来自非取样方向的信号不敏感的程度这一指2 8第3 章硬件系统研制嫘踺电鹳№使等式丧= 老撇卟吣最矿同理可得，调整电容c ·的值，使等式石％= 老，那么乩一玑= 云等：i u +综上我们得到了分离的与传输线上入射电压和反射电压成比例的检测信号3 ．2 ．2 量程切换双刀继电器两路分别传导入射功率信号和反射功率信号，每个继电器桥接不同的采样电阻继电器的吸合通过D l 、D 2 和D 3 控制当中央处理器采样到输入信号大于设定的最大量程阈值的时候将切换继电器到高量程档位；同理，当处理器采样到输入信号低于设定的最小量程阈值时将切换到低量程档位。

当输入信号大于或小于系统最大或最小量程时，3 个继电器将都断开以此保护采样电路，并在L C D 上提示用户测量越界3 ．2 ．3 滤波电路滤波器是许多模拟射频电路与系统的设计问题的中心滤波器可以被用来区分不同频率的信号，实现各种模拟信号的处理过程，因而在现代模拟射频电路与系统中得到了广泛的应用滤波器按照不同的标准可以有不同的分类，按作用分类( 低通、带通) ；按结构分类( 腔体、同轴) ；按频带大小分类( 窄带、宽带) 所有的分类方法都是依照个人应用需求而定的，所以多少存在一定的随意性在目前的电路系统中，L C 滤波器由于具有结构简单，造价低廉，性能稳定的优点，因而得到了广泛的应用理想的低通滤波器应该能使所有低于截止频率的信号无损通过，而所有高于截止频率的信号都应该被无限的衰减，从而在幅频特性曲线上呈现矩形，故而也称为矩形滤波器( b r i c k ．w a l lf i l t e r ) 遗憾的是，如此理想的特性是无法实现的，所有的设计只不过是力图逼近矩形滤波器的特性而已根据所选的逼近函数的不同，可以得到不同的响应虽然逼近函数函数多种多样，但是考虑到实际电路的使用需求，我们通常会选用“巴特沃斯响应”或“切比雪夫响应“3 0第3 章硬件系统研制器的元件参数值，把归一化特征阻抗也变成待设计滤波器所要求的特征阻抗，从而最终得到所要求设计的滤波器。

2 阶归一化巴特沃思滤波器结构如图3 ．1 6 所示L图3 ．1 62 阶归一化巴特沃思滤波器根据上述设计步骤计算得到滤波器c ：坐丝≈4 5 0 卯2 础‘三：坐丝尺≈11 棚 2 7 黝根据图电路结构，得到如下方程组rQ = 2 0 l g Il( 1 彳旧+ 彩妄／( 3 ．5 )( 3 ．6 )z ：虹雩游≯蚴1 + 缈2 C 2 R 2式中Q 表示滤波器对频率的响应，Z 表示滤波器输入电阻仿真得到的滤波器工作特性曲线如。