Разработка автоматизированной установки для измерения вольтамперной характеристики фотодиода при различной освещенности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

Разработка автоматизированной установки для измерения вольтамперной характеристики фотодиода при различной освещенности

Введение

фотодиод программный пользователь автоматизированный

В последнее время - время бурного развития электроники и информационных технологий - человечеству удалось в различных областях науки и техники значительно расширить свою деятельность, привлекая новые методы, средства и способы исследования. К таким методам можно отнести современную технику измерений, численное моделирование, системы аналитических вычислений на компьютере, а также получившую поистине всемирное распространение технику автоматизации физического эксперимента.

За сравнительно короткий срок измерительное оборудование эволюционировало от простых приборов до сложных измерительных систем и комплексов, в которых активную координирующую роль играет персональный компьютер, давно ставший инструментом для управления измерительными процессами.

Автоматизация измерительных систем позволяет во много раз повысить скорость измерений, а значит, и сэкономить время, а это уже, в свою очередь, позволяет существенно усложнять физический эксперимент. Кроме того, не следует забывать, что автоматизированная измерительная установка управляется компьютером при помощи компьютерных программ и именно поэтому она отличается особой гибкостью. Компьютеры позволяют обрабатывать полученные результаты по заданной программе сразу по мере поступления их в компьютер, причем обрабатывать с огромной скоростью. Плюс ко всему, компьютер обеспечивает быструю и безошибочную запись информации и надежное ее хранение.

Таким образом, все эти достоинства автоматизированных измерительных систем помогают осуществлять новые интересные научные открытия в физике, химии, биологии, медицине и других науках.

В данной работе была поставлена цель создать учебную автоматизированную экспериментальную установку для измерения вольтамперной характеристики фотодиода при различной освещенности и разработать в среде программирования LabVIEW программное обеспечение, управляющее этой установкой при помощи установленной в компьютер платы сбора данных NVL-08.

1. Литературный обзор

Краткое описание работы и характеристик фотодиода

В общем случае полупроводниковый фотодиод - это полупроводниковый диод, обратный ток которого зависит от освещенности [1]. С точки зрения физических принципов работы фотодиод - это полупроводниковый прибор, в котором используется эффект разделения на границе электронно-дырочного перехода созданных светом неравновесных носителей [2]. Схематически фотодиод изображен на рис. 1.

Рис. 1. Схематическое изображение фотодиода и схема его включения

Фотодиод выполняется обычно на монокристалле германия или кремния, в котором создается p-n-переход. Освещенная область (на рис. 1 - это n-область) обычно слабо легирована и поэтому имеет большое время жизни неравновесных носителей заряда (дырок) и, следовательно, большую диффузионную длину L. Если ширина n-области фотодиода W много меньше диффузионной длины дырок (W<< L) в этой области, то большая часть носителей (дырок), созданных светом не успевает рекомбинировать и дойдет до границы p-n-перехода. Эти качества являются обязательными для фотодиода.

Обычно в качестве фотодиодов используют полупроводниковые диоды с p-n-переходом, смещенным в обратном направлении внешним источником питания [1]. При поглощении квантов света в p-n-переходе или в прилегающих к нему областях кристалла полупроводника образуются новые носители заряда (пары электрон-дырка). Неосновные носители, возникшие в прилегающих к p-n-переходу областях на расстоянии, не превышающем диффузионной длины, диффундируют к p-n-переходу и проходят через него под действием электрического поля или, с точки зрения энергетической диаграммы, скатываются с потенциального барьера (рис. 2).

Поэтому обратный ток через фотодиод возрастает при освещении. К аналогичному результату приводит поглощение квантов света непосредственно в p-n-переходе. В результате при освещении фотодиода обратный ток через него возрастает на величину, называемую фототоком.

В рабочем диапазоне обратных напряжений при освещении фотодиода обратные токи практически не зависят от приложенного напряжения, хотя обратная ветвь ВАХ фотодиода в затемненном состоянии может не иметь участка насыщения тока.



Рис.4. Конструкция фотодиода в металлическом корпусе

В конструкции фотодиода, естественно, должна быть предусмотрена необходимость освещения кристалла полупроводника с одновременной защитой этого кристалла от других внешних воздействий (рис. 4). На рис. 4: 1 - кристалл полупроводника с p-n-переходом; 2 - кристаллодержатель; 3 - корпус; 4 - внутренний вывод; 5 - коваровая трубка; 6 - стеклянный проходной изолятор; 7 - ножка корпуса; 8 - кольцо припоя; 9 - стеклянная линза.

Свойства фотодиодов можно характеризовать параметрами и зависимостями, аналогичными параметрам и зависимостям фоторезисторов. Однако у фотодиодов есть существенные отличительные особенности. Так, световая характеристика фотодиода, т.е. зависимость фототока от освещенности, соответствует прямой пропорциональности фототока от освещенности. Связано это с тем, что толщина базы фотодиода значительно меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда. Поэтому практически все неосновные носители, возникшие в базе в результате световой генерации, доходят до p-n-перехода и принимают участие в образовании фототока. Во всяком случае потери неосновных носителей заряда на рекомбинацию в базе и на поверхности базы практически не зависят от освещенности, так как исходный полупроводник содержит малое количество неконтролируемых примесей, которые могли бы выполнять роль рекомбинационных ловушек и ловушек захвата. Следствием линейности световой характеристики фотодиода является независимость интегральной чувствительности фотодиода от приложенного обратного напряжения.

Другой особенностью фотодиодов и важным преимуществом их по сравнению с фоторезисторами является малая инерционность.

И, наконец, следует поговорить о спектральной характеристике фотодиодов. Она определяется со стороны больших длин волн шириной запрещенной зоны исходного полупроводникового материала, при малых длинах волн - большим показателем поглощения и увеличением влияния поверхностной рекомбинации носителей заряда с уменьшением длины волны квантов света. Таким образом, коротковолновая граница фоточувствительности фотодиода зависит от толщины базы и от скорости поверхностной рекомбинации. Уменьшая эти величины, можно существенно сдвигать коротковолновую границу фоточувствительности фотодиодов в сторону меньших длин волн.

Положение максимума на спектральной характеристике фотодиода сильно зависит от степени роста коэффициента поглощения в данном полупроводнике. При резком увеличении коэффициента поглощения с уменьшением длины волны падающего света, например в германии, положение максимума определяется шириной запрещенной зоны и практически не зависит от толщины базы. Если зависимость коэффициента поглощения от длины волны слабая, как, например, в кремнии, то эффект уменьшения проникновения квантов света в глубь полупроводника и увеличения роли поверхностной рекомбинации будет сказываться слабее с уменьшением длины волны. Поэтому максимум спектральной характеристики может смещаться при изменении толщины базы и скорости поверхностной рекомбинации.

Платы сбора данных

Сбор, или ввод / вывод данных (Data Acquisition - DAQ) [3], упрощенно можно определить как процесс измерения реального сигнала, например электрического напряжения, и передачи этой информации в компьютер для обработки, анализа, преобразования и хранения. Человек научился преобразовывать большинство физических явлений в сигналы, которые можно измерять: скорость, температура, влажность, давление, текучесть, pH, пространственное положение, радиоактивность, интенсивность света и т.д. Датчики (иногда говорят «измерительные преобразователи» или «сенсоры») воспринимают действие физических явлений и преобразуют их в электрические сигналы согласно определенным пропорциям. Например, термопара преобразует температуру в электрическое напряжение, которое может быть измерено при помощи аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Другими примерами датчиков служат тензометрические датчики, расходомеры и датчики давления, которые измеряют силу, скорость потока и давление соответственно. В каждом случае электрический сигнал напрямую связан с явлением, которое воспринимается датчиком.

Взаимодействие с датчиками осуществляется путем управления многофункциональными платами ввода / вывода (платами сбора данных) для считывания аналоговых входных сигналов или формирования аналоговых выходных сигналов, считывания и записи цифровых сигналов и т.д. Например, аналоговый входной сигнал (электрическое напряжение) поступает с датчика на установленную в компьютер плату сбора данных, которая преобразует напряжение в код и отправляет эту информацию в память для обработки, хранения и других операций.

Не все датчики физических величин имеют форму выходных сигналов, которую плата сбора данных может воспринять непосредственно. Поэтому зачастую требуется согласование сигнала, осуществляемое специальными модулями. Например, требуется ввести и проанализировать сигнал очень высокого напряжения (скажем, молнию) - тогда нужно не забыть позаботиться о гальванической развязке или изоляции сигнала: в подобном случае ошибки обойдутся очень дорого! Модули согласования сигнала выполняют множество функций: усиление, линеаризация, фильтрация, изолирование и т.п. Не все, но многие измерительные задачи требуют согласования сигнала, поэтому следует обратить внимание на специфику задачи и технические характеристики применяемых датчиков и измерительных преобразователей, чтобы избежать потенциальных ошибок. Кроме того, иногда неправильные данные могут быть даже хуже выхода оборудования из строя!

Платы сбора данных применяются [4] как в научных исследованиях, так и в прикладных областях. На их основе возможно создание измерительных комплексов, медицинских диагностических комплексов, средств автоматического управления.

Данные платы предназначены для работы в составе персонального компьютера, что предоставляет в распоряжение разработчика систем кроме возможностей самого персонального компьютера по дальнейшей обработке, модернизации, передаче и сохранении полученной информации, еще одно важное качество - мобильность таких систем.

Платы сбора данных могут включать в себя различные составные части, определяемые задачами, для решения которых данные платы предназначены. Среди таких составных частей можно выделить следующие основные и дополнительные устройства:

· аналого-цифровой преобразователь (основа любой платы сбора данных);

· цифровые порты;

· цифро-аналоговые преобразователи;

· цифровые счетчики и таймеры;

· цифровые сигнальные процессоры;

· многоканальные мультиплексоры;

· аналоговые фильтры;

· устройства выборки-хранения.

Команды модулей программируются в двоичном коде (регистровые операции).

Модульность структуры таких плат наряду с отсутствием необходимости применения в составе комплексов, построенных на основе плат сбора данных, узкоспециализированных устройств, предназначенных для работы с получаемой информацией (т.к. такие устройства заменяет персональный компьютер), позволяют строить дешевые и в то же время качественные системы, что способствует применению таких систем как в науке, так и для решения прикладных задач. На их основе строятся виртуальные приборы.

Следует отметить, что преимущества измерительных приборов построенных на основе плат сбора данных и персонального компьютера во многом проистекают из возможностей самого персонального компьютера. Измеренные значения передаются в компьютер наиболее эффективным и быстрым способом - через собственную шину машины (возможны модификации плат работающие и со стандартными портами компьютера). Таким образом, скорость передачи определяется возможностью самой шины.

Измерительные системы на основе плат сбора данных обладают гибкостью для расширения своих возможностей. Что обеспечивает наиболее полное удовлетворение требованиям конкретной задачи. Вот лишь некоторые из достоинств измерительных систем, состоящих из плат сбора данных и персонального компьютера:

· размеры записи практически неограниченны;

· богатейшие возможности по представлению информации;

· специализированный анализ;

· настраиваемый интерфейс пользователя;

· расширяемость;

· запись времени и комментариев вместе с данными;

· встроенные в измерительные процедуры возможности мультимедиа (текст, картинка, аудио / видео);

· автоматизация процесса измерений;

· доступ в Интернет для распространения данных по всему миру;

· сравнительный анализ измерений и сопоставление кривых;

· взаимодействие с базами данных и информационными системами;

· автоматизированная генерация отчетов;

· высококачественная печать.

Среди недостатков систем, построенных на основе плат сбора данных, следует отметить:

· их недостаточную универсальность, т.к. сама плата является законченным модулем и не подлежит модернизации (поэтому плата, используемая для решения одной конкретной задачи, может не подойти для решения другой; в случае же выхода какого-либо модуля из строя придется менять всю плату);

· ограниченная возможность расположения устройств на плате (предназначенной для установки в слот расширения PC), что определяется размерами системного блока компьютера;

· количество плат, которые можно установить, будет определяться количеством свободных слотов расширения (другие устройства их так же используют);

· низкая скорость передачи данных для плат подключаемых к стандартным портам компьютера.

Платы сбора данных производятся как за рубежом, так и в России. Среди российских производителей можно отметить такие фирмы как L-card, Сигнал, Руднев-Шиляев. Из зарубежных производителей особо выделяются фирма National Instruments, компании Hewlett-Packard, Keithley.

В заключение рассмотрим в качестве примера некоторые из плат сбора данных, производимые американской компанией National Instruments [5]:



S серия, 12 разрядов, аналоговый ввод 5 или 10 МГц

N16110, N16111, N16115

До 4 дифференциальных аналоговых каналов с одновременным опросом

Разрешение 12 разрядов

Скорость преобразования до 10 МГц на канал

Входной диапазон от ±0.2 до ±42В

Два 12 или 16 разр. аналоговых выхода

8 линий цифрового ввода-вывода

Два 24-х разрядных счетчика-таймера

Калибровочный сертификат

Е серия, 12 разрядов, аналоговый ввод 1.25 МГц

NI6070E, N16071Е

До 64 SE/32 DI аналоговых входов

Разрешение 12 разрядов

Скорость преобразования до 1.25 МГц

Запись на диск до 1.25 МГц

Входной диапазон от ±0.05 до ±10В

Два 12 разрядных аналоговых выхода

8 цифровых линий ввода-вывода

Два 24 разрядных счетчика-таймера

Калибровочный сертификат

Базовая многофункциональная, 16 разрядов, 200 кГц

NI PCI-6013, NI PCI-6014

16 SE аналоговых входов

Разрешение 16 разрядов

Скорость преобразования 200 кГц

Запись на диск до 200 кГц

Входной диапазон от ±0.1 до ±10В

Два 16 разрядных аналоговых выхода

8 цифровых линий ввода-вывода

Два 24 разрядных счетчика-таймера

Калибровочный сертификат

Среда программирования LabVIEW

LabVIEW или Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench (Среда разработки лабораторных виртуальных приборов) [3] представляет собой среду графического программирования, которая широко используется в промышленности, образовании и научно-исследовательских лабораториях в качестве стандартного инструмента для сбора данных и управления приборами. LabVIEW - мощная и гибкая программная среда, применяемая для проведения измерений и анализа полученных данных. LabVIEW - многоплатформенная среда: ее можно использовать на компьютерах с операционными системами Windows, MacOS, Linux, Solaris и HP-UX. Персональные компьютеры являются более гибкими инструментами, чем традиционные измерительные приборы, поэтому создание собственной программы на LabVIEW, или виртуального прибора, является довольно несложным делом, а интуитивно понятный пользовательский интерфейс в среде LabVIEW делает разработку программ и их применение весьма интересным и увлекательным занятием.

LabVIEW-программа называется виртуальным прибором или ВП (VI) [6], так как ее внешний вид и функциональность повторяет традиционный физический прибор, такой как осциллограф или мультиметр. LabVIEW содержит большой набор инструментов для сбора данных, обработки (анализа), отображения и архивирования. В LabVIEW встроены средства поиска и разбора ошибок, отладки кода.

В LabVIEW программист сначала создает интерфейс пользователя или лицевую панель виртуального прибора, используя многочисленные управляющие элементы и индикаторы. К управляющим элементам относятся лимбы, ручки регулировки, тумблеры, кнопки и т.д., к индикаторам - графики, лампочки и другие элементы отображения. После того как создана лицевая панель, программист определяет функциональность виртуального прибора, помещая на блок-диаграмму код программы в виде других виртуальных приборов и структур LabVIEW, для управления элементами лицевой панели. Таким образом, код программы в LabVIEW - это привычная для инженера блок-схема. Для примера на рис. 5 и 6 показан простой пользовательский интерфейс LabVIEW и реализующий его код [3].

LabVIEW особенно удобно использовать для связи с такими аппаратными средствами, как встраиваемые в персональный компьютер измерительными платами, платами захвата видеоизображения и управления движением, приборами, подключаемыми к персональному компьютеру через стандартные интерфейсы GPIB (КОП), PXI, VXI, RS-232/485 и т.д. [6]

Рис. 5 Интерфейс пользователя

Рис. 6 Графический код

Для лучшего понимания LabVIEW заглянем в историю развития этой среды программирования.

В 1983 году компания National Instruments начал поиски способов сокращения времени, необходимого для программирования измерительных систем. [3] В результате появилась концепция виртуального прибора LabVIEW - сочетания интуитивного пользовательского интерфейса лицевой панели с передовой методикой блок-диаграммного программирования, позволяющего создавать эффективные измерительные системы на основе графического программного обеспечения.

Первая версия LabVIEW увидела свет в 1986 году. Она была предназначена только для компьютеров Macintosh. Несмотря на то что Macintosh довольно редко использовались в задачах измерений и автоматизации, графическая оболочка их операционной системы MacOS наилучшим образом соответствовала технологии LabVIEW. Довольно скоро и другие наиболее распространенные операционные системы перешли на графический пользовательский интерфейс и начали поддерживать эту технологию.

К 1990 году разработчики National Instruments полностью переделали LabVIEW, сочетая новые компьютерные технологии с анализом отзывов пользователей. И, что более важно, вторая версия LabVIEW включала компилятор, делающий скорость исполнения виртуальных приборов сравнимой со скоростью выполнения программ, созданных на языке программирования C. Патентное ведомство США (United States Patent Office) выдало National Instruments несколько патентов, признающих новизну технологии LabVIEW.

С появлением новых графических операционных систем, подобных MacOS, компания National Instruments перенесла ставшую уже признанной технологию LabVIEW на другие платформы - персональные компьютеры и рабочие станции. В 1992 году благодаря новой открытой архитектуре появились версии LabVIEW для Windows и Sun.

Третья версия LabVIEW появилась в 1993 году сразу для трех операционных систем: Macintosh, Windows и Sun. Виртуальные приборы версии 3, разработанные на одной из платформ, могли без изменений запускаться на другой. Эта межплатформенная совместимость дала пользователям возможность выбора платформы разработки и уверенность, что созданные ВП будут функционировать и на других платформах (обратите внимание, что это было реализовано за пару лет до появления Java). В 1994 список платформ, поддерживающих LabVIEW, увеличился и стал включать Windows NT, Power Macs, рабочие станции Hewlett Packard и в 1995 году - Windows 95.

LabVIEW 4 была выпущена в 1996 году и обеспечивала большую гибкость оболочки среды разработки, которая позволила пользователям создавать программы, подходящие типу их деятельности, уровню опыта и навыкам разработки. Кроме этого, LabVIEW 4 включала в себя мощные инструменты редактирования и отладки более совершенных измерительных систем, в том числе обмен данными на основе OLE-технологии и распределенных средств исполнения.

Версии LabVIEW 5 и 5.1 (в 1999 году) продолжают наращивать возможности системы: появляется встроенный Internet-сервер, подсистема динамического программирования и управления (сервер виртуального прибора), интеграция с ActiveX и особый протокол для упрощения обмена данными через Internet - DataSocket. Также введена долгожданная возможность отката действий пользователя (undo), которая уже присутствовала в большинстве компьютерных программ.

Вышедшей в 2000 году новой версии - LabVIEW 6 (известной также как 6i) - сделали «подтяжку лица»: в нее встроили новый комплект объемных элементов управления и индикации, поскольку в то время компьютерная индустрия обнаружила, что внешний вид программного продукта имеет весьма серьезное значение. В LabVIEW 6 воплотилась очень серьезная работа по обеспечению как простого и интуитивного интерфейса среды программирования (особенно для непрограммистов!), так и поддержки множества передовых технологий программирования, например объектно-ориентированного программирования, многопоточности (multithreading), распределенных вычислений (distributed computing) и т.д.

В версии LabVIEW 6.1, вышедшей в 2001 году, было введено событийно-управляемое программирование, удаленное управление LabVIEW через Internet и другие улучшения.

В 2003 году [9], с выходом пакета LabVIEW 7 Express, компания National Instruments предложила революционный подход к созданию приложений для проведения измерений и управления, основанный на использовании «Express» виртуальных приборов для разработки кода LabVIEW.

И, наконец, в 2004 году компания National Instruments представляет LabVIEW 7.1, где продолжает совершенствовать средства разработки приложений для различных аппаратных платформ, от высокоэффективных модульных приборов до систем жесткого реального времени и портативных устройств.

Таким образом, LabVIEW находит применение в самых разнообразных сферах человеческой деятельности. В соответствии со своим названием он первоначально использовался в исследовательских лабораториях, да и в настоящее время является наиболее популярным программным пакетом как в лабораториях фундаментальной науки, так и в отраслевых промышленных лабораториях. Все более широкое применение LabVIEW находит в образовании - в университетских лабораторных практикумах - особенно по предметам электротехники, механики и физики.

Распространение LabVIEW за пределами лабораторий пошло по всем направлениям: вверх (на борту космических аппаратов), вниз (на подводных лодках) и по горизонтали (от буровых установок в Северном море до промышленных предприятий в Новой Зеландии). В связи с ростом возможностей Internet сфера применения LabVIEW стала расширяться не только в географическом, но и в виртуальном пространстве. Все большее число разработчиков создает виртуальные приборы, допускающие удаленное управление и наблюдение через Internet. Измерительные системы на основе виртуальных приборов отличаются своей многофункциональностью, гибкостью и низкой стоимостью как с точки зрения оборудования, так и с точки зрения затрат времени на разработку.

Здесь уместно привести введение из доклада Е.Д. Барана, Н.В. Голошевского и П.М. Захарова (Новосибирский государственный технический университет) [7], представленного на международной научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments», проходившей в Москве в ноябре 2003 года: «Учебные лаборатории по многим техническим дисциплинам должны быть оснащены сложным и дорогостоящим оборудованием соответствующего назначения, современной контрольно-измерительной аппаратурой, для обслуживания лабораторий приходится привлекать специалистов высокой квалификации. Примером может служить весьма распространенная дисциплина «Проектирование микропроцессорных систем» - каждое рабочее место лаборатории - это система, которая в общем случае состоит из компьютера, оценочного модуля, выполненного на основе целевого микропроцессора (микроконтроллера, сигнального процессора и т.п.), осциллографа, логического анализатора, генераторов испытательных сигналов произвольной формы, мультиметра, частотомера-периодомера, набора цифровых и сигнальных индикаторов, элементов управления, блока питания, а также соответствующих программных средств. И если программные компоненты нередко предоставляются бесплатно, а в ряде случаев для обучения можно воспользоваться их демо-версиями, то контрольно-измерительные и управляющие приборы и устройства приходится приобретать, причем стоимость их может достигать 3 - 5 тысяч долларов (одно рабочее место!) и более. Не каждая кафедра и даже университет в состоянии оборудовать полноценную лабораторию проектирования микропроцессорных систем. Проблема усугубляется необходимостью отслеживать в учебном процессе частую смену и развитие архитектур микроэлектронных компонентов, появление новых моделей и производителей. Очевидное решение этой проблемы заключается в создании Web-лабораторий, в которых одно хорошо оснащенное рабочее место доступно для большого числа обучаемых в различных университетах и практически в любое время». Для этой цели как раз и полезен LabVIEW.

Пожалуй, лучшим способом объяснить причины столь широкого (можно сказать, лавинообразного) распространения пакета LabVIEW будет обозрение способов его использования. В связи с этим приведем здесь темы некоторых докладов, представленных на выше упомянутой международной научно-практической конференции [8]:

«Организация типовой дистанционной автоматизированной лаборатории с использованием LabVIEW-технологий в техническом ВУЗе» (Ю.К. Евдокимов, А.Ю. Кирсанов - Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева);

«Виртуальная лаборатория для дистанционного обучения методам проектирования микропроцессорных систем» (Е.Д. Баран, Н.В, Голошевский, П.М. Захаров, Б.М. Рогачевский - Новосибирский государственный технический университет);

«Учебный стенд по изучению напряженного состояния несущих деталей железнодорожного подвижного состава» (А.Н. Савоськин, Е.В. Сердобинцев - Московский государственный университет путей сообщения);

«Автоматизация теплофизических измерений и организация автоматизированного лабораторного практикума удаленного доступа на основе использования среды LabVIEW» (А.Г. Дивин, С.В. Пономарев, А.А. Чуриков - Тамбовский государственный технический университет);

«Опыт реализации технологий машинного зрения в среде LabVIEW» (Ю.В. Визильтер, В.А. Князь, С.И. Ортюков, А.В. Лагутенков, О.В. Выголов, А.В. Моржин - ФГУП ГосНИИ Авиационных систем, Москва);

«Эффективная обработка и анализ спектров комбинационного рассеяния света в среде LabVIEW 7 Express» (А.Н. Ходарев, С.Г. Елизаров - МГУ им. М.В. Ломоносова);

«Виртуальные инструменты LabVIEW для исследования вентильно-электромеханических систем» (Д.А. Оботуров, А.М. Водовозов - Вологодский государственный технический университет);

«Аппаратно-программный комплекс для контроля электрофизических свойств сегнетоэлектрических тонких пленок» (Е.Ф. Певцов, А.О. Горелов, Ю.А. Пыжов, А.П. Пыжова - Московский институт радиотехники, электроники и автоматики);

«Универсальный оптический анализатор одиночных частиц, реализованный в среде LabVIEW» (М.А. Юркин, А.Н. Швалов, В.П. Мальцев - НГУ, ГНЦ ВБ «Вектор», ИХКиГ СО РАН);

«Использование LabVIEW в системе автоматизации экспериментов по взаимодействию мощного лазерного излучения с веществом» (Т.В. Власов, О.В. Чутко - Международный лазерный центр МГУ им. М.В. Ломоносова);

«Использование LabVIEW в задачах повышения надежности медицинских компьютерных систем» (В.Г. Зубенко, В.Б. Стрелков - Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана);

«Автоматизированные линии статической балансировки покрышек» (В.Ю. Саванович, Г.В. Никитин - РУДН);

и многие другие.

Все эти примеры как нельзя лучше показывают, насколько огромен мир применения LabVIEW.

Таким образом, благодаря всем приведенным выше своим достоинствам среда программирования LabVIEW была выбрана мною в данной работе в качестве инструмента для создания программного обеспечения, управляющего установкой для измерения вольтамперной характеристики фотодиода.

2. Разработка автоматизированной измерительной установки

фотодиод программный пользователь автоматизированный

Использование платы NVL-08

Многофункциональное устройство NVL-08 представляет собой плату сбора данных и предназначено для работы в составе ПЭВМ типа IBM PC AT. Это устройство обеспечивает преобразование внешних аналоговых и цифровых сигналов в форматы данных ПЭВМ и обратное преобразование данных формата ПЭВМ во внешние аналоговые и цифровые сигналы. Внешний вид платы NVL-08 показан на рис. 7.

Рис. 7. Внешний вид платы сбора данных NVL-08

Функции платы. Плата NVL-08 выполняет следующие функции:

- аналого-цифровое преобразование;

- цифро-аналоговое преобразование;

- цифровой ввод / вывод.

Технические характеристики платы

Аналоговый ввод:

Разрядность …………………………………………………….…. 12 бит

Время преобразования АЦП ………………………….…………. 4 мкс

Количество каналов …….… 8 дифференциальных или 16 одиночных

Диапазон входных напряжений (полная шкала) ……………. +/ - 5,12 В

Предельное входное напряжение ………………………………. +/ - 12 В

Режим запуска ……………………………………………. программный

Метод приема информации ……………. программный, по ожиданию

готовности, по прерыванию

Аналоговый вывод:

Разрядность ………………………………………………………. 12 бит

Время установления …………………………………….……. <= 5 мкс

Количество каналов ……………………………………………………. 1

Диапазон выходного напряжения ……………………………… +/- 3 В

Линейность ……………………………………………………… +/ - 0,1%

Цифровой ввод:

Количество входных линий …………………………… 8 (уровень ТТЛ)

Цифровой вывод:

Количество выходных линий ………… 8 (уровень ТТЛ) с повышенной

нагрузочной способностью (до 30 мА на линию)

Описание структурной схемы платы. Функционально плата NVL-08 разделяется на следующие логические части:

- блок сопряжения с шиной IBM PC AT;

- блок аналогового ввода;

- блок аналогового вывода;

- блок цифрового ввода / вывода.

Блок сопряжения с шиной IBM PC AT обеспечивает согласование шины данных IBM PC AT и внутренней шины данных платы NVL-08, дешифрирует адресные комбинации для фиксации адресов логических частей платы NVL-08 в адресном пространстве ввода / вывода IBM PC AT, формирует сигналы запросов на прерывание по линии IRQ на системной шине IBM PC AT.

Блок аналогового ввода обеспечивает согласование внешнего измеряемого напряжения с входным сигналом АЦП, преобразование этого сигнала в цифровой код и передачу кода на шину данных IBM PC AT. Этот блок состоит из аналогового коммутатора, буферного дифференциального усилителя, схемы выборки-хранения, интегрального АЦП, источника опорного напряжения и схемы синхронизации.

Блок аналогового вывода обеспечивает преобразование цифровых кодов, передаваемых по шине данных IBM PC AT в аналоговое напряжение. Он состоит из буферного регистра входного кода, интегрального ЦАПа, преобразователя ток-напряжение и источника опорного напряжения.

Блок цифрового ввода / вывода обеспечивает прием на шину данных IBM PC AT и буферизированную передачу цифровых сигналов разрядностью до 8 бит.

Описание контактов разъема платы NVL-08.

Распайка разъема

1 AIN7

20 BIN7

2 AIN6

21 BIN6

3 AIN5

22 BIN5

4 AIN4

23 BIN4

5 AIN3

24 BIN3

6 AIN2

25 BIN2

7 AIN1

26 BIN1

8 AIN0

27 BIN0

9 ANOUT

28 GND

10 *****

29 DOUT7

11 DIN7

30 DOUT6

12 DIN6

31 DOUT5

13 DIN5

32 DOUT4

14 DIN4

33 DOUT3

15 DIN3

34 DOUT2

16 DIN2

35 DOUT1

17 DIN1

36 DOUT0

18 DIN0

37 GND

19 GND

AIN0..7 и BIN0..7 - входные аналоговые сигналы при дифференциальном включении, BIN0..7 соответствуют сигналам AIN8..15 при одиночном включении; ANOUT - выход ЦАПа; DIN0..7 - цифровые входы; DOUT0..7 - цифровые выходы; GND - общий провод.

Программирование платы NVL-08. Программно плата NVL-08 представляется в виде ряда адресов регистров в адресном пространстве IBM PC AT. Абсолютный адрес каждого регистра NVL-08 складывается из двух составляющих - базового адреса и адреса смещения. С помощью перемычек на плате NVL-08 базовый адрес может принимать следующие значения - 200h, 220h и 300h. Это позволяет устанавливать NVL-08 на любое «свободное» адресное место в IBM PC AT или же устанавливать до трех устройств в одну IBM PC AT. Адреса смещений постоянны.

Программирование цифрового ввода / вывода. Прием байта из буфера цифрового порта (выводы 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 внешнего разъёма платы NVL-08) осуществляется операцией чтения байта по адресу BASE + 06h, где BASE - базовый адрес (устанавливается при поставке 300h), 06h - смещение. Таким образом, адрес регистра порта цифрового ввода равен 300h + 06h = 306h. Запись байта в буфер порта цифрового вывода (выводы 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36 внешнего разъёма платы NVL-08) осуществляется операцией записи байта по адресу BASE + 06h. (Информация в этом буфере будет храниться до следующей операции записи по указанному адресу).

Программирование аналоговoго выхода. Выходное напряжение ЦАПа платы NVL-08 при настройке устанавливается таким образом, что максимальный размах напряжений равен +/-3В, причем минимальному напряжению -3В соответствует код 0000h, записанный по адресу BASE + 04h (вывод 9 внешнего разъема платы NVL-08), а напряжению +3В соответствует код 0FFFh, записанный по тому же адресу. Код слова ЦАПа записывается в буферные регистры и хранится там до следующей операции вывода.

Программирование АЦП. К программированию АЦП относятся следующие операции:

- управление входным коммутатором;

- запуск АЦП;

- ожидание готовности после цикла преобразования АЦП;

- считывание кода АЦП.

Программное управление входным коммутатором осуществляется путем записи в регистр номера канала по адресу BASE + 02h байта с кодом номера канала, напряжение на входе которого надо измерить. В плате NVL-08 предусмотрен программный режим запуска АЦП. Для этого необходимо записать любое число по адресу BASE + 00h. Действительное значение кода АЦП, соответствующее измеряемому напряжению формируется в буферном регистре с адресом BASE + 00h только после выполнения определённой последовательности действий:

- выбор канала;

- запуск АЦП;

- фиксация момента окончания цикла преобразования АЦП.

Окончание цикла преобразования АЦП может быть зафиксировано тремя способами:

- программно - путем опроса бита готовности;

- программно - путем организации задержки на время преобразования после команды запуска;

- по прерыванию - после окончания цикла преобразования.

Калибровка платы. Плата NVL-08 имеет четыре органа настройки:

- смещение АЦП;

- чувствительность АЦП;

- смещение ЦАП;

- размах выходного сигнала ЦАП.

Процедуру калибровки удобно производить, используя тестовую заглушку, распаянную по ниже прилагаемому описанию. В тестовой заглушке нулевой канал АЦП замкнут на общий провод, на канал 1 подается напряжение с внешнего источника (стабилитрон с заранее известным Uст), на канал 2 подается выход ЦАПа, а на остальные каналы - напряжения от внешнего источника (желательно от батарейки) с использованием делителей. Следует отметить, что после включения питания необходимо выждать около 15 мин для вхождения в режим.

Сначала настраивают смещение АЦП резистором R1 по каналу, замкнутому на общий провод. Затем подстройкой резистора R2 производят калибровку по каналу с известным напряжением. Теперь можно приступить к настройке ЦАПа, используя настроенный АЦП.

Резистором R3 устанавливают нулевое напряжение на выходе ЦАП, резистором R4 устанавливают размах выходного напряжения ЦАП +/-3В. Расположение регулировочных резисторов указано на рис. 8.

Установка перемычек на плате NVL-08. С помощью перемычек на плате NVL-08 производятся следующие переключения:

- установка базового адреса (при поставке 300h);

- установка номера прерывания, формируемого после окончания цикла преобразования АЦП (при поставке IRQ5);

- установка типа входных линий (переключаются две перемычки одновременно!; при поставке - дифференциальный вход).

Расположение перемычек указано на рис. 8.

Рис. 8. Схема платы сбора данных NVL-08

Итак, прежде чем приступить непосредственно к реализации автоматизированной измерительной установки, плата в данной работе была установлена в слот расширения ISA-16 компьютера и откалибрована. Перемычками на плате NVL-08 в данной работе были выбраны следующие режимы работы платы:

- базовый адрес - 300h;

- номер прерывания - IRQ5 (механизм прерываний в данной работе я не использую);

- тип входных линий - однополюсный режим.

Разработка схемы измерительного комплекса

После того, как плата сбора данных подготовлена к работе, следует тщательно обдумать функциональную схему измерительной установки. В данной работе имели место следующие рассуждения:

· так как диапазон выходного напряжения ЦАПа платы NVL-08 составляет всего +/-3В, чего недостаточно для получения полноценной вольтамперной характеристики фотодиода в обратном смещении, то следует на выходе ЦАПа платы NVL-08 поставить усилитель напряжения (в данной работе было решено усилить напряжение до +/-10В);

· усиленный по напряжению сигнал следует подавать на последовательно соединенные фотодиод и резистор с известным сопротивлением; резистор нужен для того, чтобы по падению напряжения на нем определить ток, протекающий через фотодиод;

· так как входной диапазон АЦП платы NVL-08 составляет +/-5.12 В, то после усиления напряжения, подаваемого на резистор с фотодиодом, следует в заданное количество раз уменьшить по напряжению измеряемый сигнал (напряжение, падающее на резисторе) - для этого было решено использовать делитель напряжения (в данном случае это достаточно корректно, так как входное сопротивление АЦП очень велико);

· так как в плате NVL-08 содержится только один ЦАП, который задействован в измерении ВАХ фотодиода, то необходимо позаботиться об управлении яркостью свечения светодиода (об управлении освещенностью фотодиода) - для решения этой проблемы в данной работе было сочтено достаточным изготовить простейший 6-разрядный ЦАП с использованием масштабирующих резисторов и операционного усилителя (управление этим ЦАПом осуществляется при помощи цифрового выхода платы NVL-08).

Таким образом, после приведенных рассуждений получилась функциональная схема, представленная на рис. 9. В данной работе усилитель напряжения, делитель напряжения, ЦАП для управления яркостью подсветки, измерительный резистор, фотодиод и светодиод выполнены в одном корпусе (для определенности условно назовем его блоком сопряжения).

Рис. 9. Функциональная схема измерительного комплекса

Принципиальная электрическая схема блока сопряжения (без указания питания операционных усилителей и без схем балансировки операционных усилителей) приведена на рис. 10. Здесь АЦП1 и АЦП2 означают первый и второй каналы АЦП платы NVL-08 соответственно, 0 - младший разряд, а 5 - соответственно старший разряд цифрового вывода платы NVL-08.

«Верхний» операционный усилитель (см. рис. 10) используется для усиления напряжения, подаваемого с ЦАПа платы NVL-08. Коэффициент усиления этого операционного усилителя равен 3.45 (он установлен при помощи подстроечного резистора на 22 кОм в цепи обратной связи). «Нижний» операционный усилитель вместе с масштабирующими резисторами, подключенными к цифровому выводу платы NVL-08, образует простейший ЦАП (для регулировки яркости свечения светодиода). Транзистор на выходе этого операционного усилителя нужен для усиления мощности, так как максимальный выходной ток используемого операционного усилителя (К153УД6) не превышает 5 мА, чего явно недостаточно для нормальной работы светодиода.

Рис. 10. Принципиальная электрическая схема блока сопряжения

Глядя на рис. 10, легко понять методику измерения ВАХ фотодиода: сначала на последовательно соединенные фотодиод и два резистора номиналом в R = 200 Ом подается напряжение U = 3.45·U_АЦП1 (3.45 - коэффициент усиления операционного усилителя), затем измеряется падение напряжения U_АЦП2 = U_R на одном резисторе, после чего, зная U, U_R и R, легко вычислить ток I_ф, протекающий через фотодиод, и напряжение U_ф, падающее на фотодиоде: I_ф = U_R/R, U_ф = U - 2·U_R.

Внешний вид изготовленного в данной работе блока сопряжения и начиняющей его электронной платы показан на рис. 11. Для блока сопряжения требуется питание от стабилизированного источника постоянного напряжения на 24В, 0.5А.



Рис. 11. Внешний вид блока сопряжения и начиняющей его электронной платы

3. Разработка программного обеспечения

Из многообразия сред для разработки программ в данной работе была выбрана среда LabVIEW6 фирмы National Instruments. Этот выбор обусловлен прежде всего тем, что построение измерительной системы с использованием LabVIEW обеспечивает разработчику наиболее удобный интерфейс программирования и позволяет существенно экономить время на разработку программ, а пользователю предоставляет удобный и наглядный интерфейс в стиле Windows-программ.

Описание программ

Все программное обеспечение, управляющее автоматизированной экспериментальной установкой для измерения ВАХ фотодиода, состоит из виртуального прибора (LabVIEW-программы) volt_amp.vi и библиотеки виртуальных подприборов volt_amp.llb (рис. 12).

Рис. 12. Библиотека виртуальных подприборов volt_amp.llb

Библиотека volt_amp.llb состоит из следующих виртуальных подприборов:

· svetodiod.vi

Эта программа заставляет светодиод излучать. Ее вид изображен на рис. 13.



Рис. 13. Блок-диаграмма виртуального подприбора svetodiod.vi

Суть работы этой программы сводится к записи байта в буфер цифрового порта платы NVL-08 (запись эта осуществляется путем записи байта по адресу 306h).

· kod_UI.vi

Эта программа получает код от основной программы и записывает его в буферные регистры ЦАПа платы NVL-08, подавая таким образом напряжение на последовательно соединенные фотодиод и резисторы, затем эта программа путем измерений и простых вычислений получает напряжение, падающее на фотодиоде, и протекающий через него ток. Полученные результаты отправляются основной программе volt_amp.vi. Часть программы kod_UI.vi представлена на рис. 14.

Рис. 14. Блок-диаграмма виртуального подприбора kod_UI.vi

· graph_work.vi

Эта программа обеспечивает работу с графиками. Основная ее задача состоит в том, чтобы полученные одномерные массивы подготовить к выводу на двухкоординатные графики. Часть программы graph_work.vi представлена на рис. 15.

Рис. 15. Блок-диаграмма виртуального подприбора graph_work.vi

Основная программа (виртуальный прибор volt_amp.vi) координирует действия рассмотренных выше подпрограмм. Кроме того, она обеспечивает диалог с пользователем, а также проводит некоторые вычисления. По этапам выполнения программу volt_amp.vi можно разделить на две основные части: первая часть предоставляет возможность изменения параметров эксперимента (в том числе освещенности фотодиода), а вторая проводит эксперимент, предоставляя пользователю возможность его прервать. Обе части программы volt_amp.vi приведены на рис. 16.



Рис. 16. Блок-диаграмма виртуального прибора volt_amp.vi

И, наконец, приведем иерархическую структуру разработанного программного обеспечения (включая поставляемые вместе с пакетом LabVIEW используемые в данной работе виртуальные подприборы):



Рис. 17. Иерархическая структура программного обеспечения

Руководство пользователя

Для управления созданной в данной работе учебной автоматизированной экспериментальной установкой необходимо запустить программу volt_amp.vi. После запуска этой программы вы увидите лицевую панель, на которой содержатся следующие элементы управления и индикации (см. рис. 18):

· Количество точек

Этот элемент управления позволяет задавать количество точек, которое следует получить в интервале напряжений, на котором измеряется ВАХ фотодиода.

· Количество измерений

Этим элементом управления задается число измерений ВАХ фотодиода. В итоге программа выдаст усредненную ВАХ.

· Напряжение, подаваемое на светодиод

Этой ручкой управления можно регулировать напряжение, подаваемое на светодиод, а значит, регулировать освещенность фотодиода.

· Начать эксперимент

После нажатия этой кнопки начнется процесс измерения ВАХ фотодиода.

· Текущее напряжение

Этот индикатор показывает напряжение, падающее на фотодиоде, в каждый момент времени.

· Текущий ток

Этот индикатор показывает ток, протекающий через фотодиод, в каждый момент времени.

· Количество проведенных измерений

Здесь отображается количество проведенных измерений ВАХ фотодиода в ходе эксперимента с заданным количеством измерений.

· ВАХ фотодиода

На этом графике по завершении эксперимента вы увидите полученную ВАХ фотодиода (усредненную).

· Погрешность измерения

На этом графике по завершении эксперимента отображается погрешность измерения тока при каждом подаваемом на фотодиод напряжении.

· Выход из программы

Рис. 18

После того, как вы установите параметры эксперимента, нажмите кнопку «Начать эксперимент». Предположим, что вы измеряете темновую ВАХ фотодиода, тогда после завершения эксперимента, лицевая панель примет вид, подобный показанному на рис. 19.

Рис. 19

Итак, темновая ВАХ получена (она отображена красным цветом)! Теперь программа ждет дальнейших указаний. Далее можно, например, подать на светодиод какое-нибудь напряжение и вновь начать эксперимент, после выполнения которого лицевая панель примет вид, как показано на рис. 20. Обратите внимание, что «свежая» ВАХ выделилась красным цветом, в то время как «устаревшая» ВАХ перекрасилась в белый. Если провести третий эксперимент, то новая (третья) ВАХ примет красный цвет, вторая ВАХ станет белой, а первая и вовсе исчезнет, и т.д.



Рис. 20

При желании можно записать полученную ВАХ в файл. Для этого следует нажать кнопку «Записать в файл». Если сделать это, то появится диалоговое окно, вид которого изображен на рис. 21. Здесь вам предстоит указать имя файла и путь его размещения.

Рис. 21

Формат записанного файла выглядит так, как показано на рис. 22.

Рис. 22

А теперь посмотрим, как выглядит лицевая панель во время измерения ВАХ фотодиода (рис. 23). Сразу отмечу, что непосредственно во время проведения эксперимента вы не сможете изменять какие-либо параметры, но вы можете прервать измерение ВАХ, нажав на кнопку «Прервать эксперимент» (она появляется вместо кнопки «Начать эксперимент»). После нажатия на эту кнопку появляется диалоговое окно, вид которого представлен на рис. 24.

Рис. 23

Рис. 24

Ну и, наконец, после нажатия на кнопку «Выход из программы», вы увидите диалоговое окно, показанное на рис. 25.



Рис. 25

Заключение

В результате выполнения данной работы:

· Создана на базе платы сбора данных NVL-08 учебная автоматизированная экспериментальная установка для измерения вольтамперной характеристики фотодиода при различной освещенности. При ее создании дополнительно разработан и изготовлен блок сопряжения, позволяющий управлять освещенностью фотодиода и увеличивать интервал измерения вольтамперной характеристики фотодиода (интервал напряжений).

· Разработано в среде программирования LabVIEW программное обеспечение, управляющее учебной автоматизированной экспериментальной установкой.

· Проведены тестовые измерения вольтамперных характеристик фотодиода при различных уровнях освещенности в локальном режиме.

· Мной получен опыт в разработке автоматизированных измерительных систем, а также в разработке программного обеспечения в среде LabVIEW.

Таким образом, проведенная работа является заделом для дальнейшей деятельности в области автоматизации физического эксперимента.

Список литературы

1) Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов. 5-е изд., исправленное. - СПб.: Издательство «Лань», 2001. - 480 с.

2) Определение основных характеристик фотодиода: Методические указания к выполнению лабораторной работы. - Петрозаводский государственный университет. - 16 с.

3) Тревис Дж. LabVIEW для всех / Джеффри Тревис: Пер. с англ. Клушин Н.А. - М.: ДМК Пресс; ПриборКомплект, 2004. - 544 с.

4) Ермаков М.А. Разработка комплекса лабораторных работ с удаленным доступом на базе LabVIEW: Магистерская диссертация. - Петрозаводск: ФТФ, 2001. - 57 с.

5) Измерения и автоматизация: Каталог 2003 National Instruments. - National Instruments Russia, 2003. - 48 с.

6) LabVIEW 7 Express: Вводный курс / Пер. с англ. Тиме И.В. - М.: Издательство «ПриборКомплект», 2003. - 42 с.