Полевые, или униполярные, транзисторы в качестве основного физического принципа используют эффект поля [1]. В отличие от биполярных транзисторов, у которых оба типа носителей, как основные, так и неосновные, являются ответственными за транзисторный эффект, в полевых транзисторах для реализации транзисторного эффекта используется только один тип носителей. По этой причине полевые транзисторы называют униполярными. В зависимости от условий реализации эффекта поля полевые транзисторы делятся на два класса: полевые транзисторы с изолированным затвором и полевые транзисторы с затвором в виде p_n перехода. В данном случае нас интересует первый класс, так как именно к нему принадлежат МДП-транзисторы (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Топология и основные элементы МДП_транзистора

Термин “МДП_транзистор” используется для обозначения полевых транзисторов, в которых управляющий электрод - затвор - отделен от активной области полевого транзистора диэлектрической прослойкой - изолятором. Основным элементом для этих транзисторов является структура металл - диэлектрик - полупроводник. По этой причине в названии транзистора используется аббревиатура МДП. Монокристаллический полупроводник n_ или p_типа, на котором изготавливается МДП_транзистор, получил название подложки. Две сильнолегированных области противоположного с подложкой типа проводимости, получили название исток и сток. Область полупроводниковой подложки, находящаяся под затвором между истоком и стоком, называется каналом. Диэлектрический слой, находящийся между затвором и каналом, получил название подзатворного диэлектрика. В качестве полупроводниковой подложки в большинстве МДП_транзисторов используется кремний, а в качестве подзатворного диэлектрика - двуокись кремния. По этой причине как синоним для МДП-транзисторов используется термин “МОП_транзистор”. Канал в МДП_транзисторах может быть как индуцированным, так и встроенным.

Физической основой работы полевого транзистора со структурой металл - диэлектрик - полупроводник является эффект поля, который состоит в том, что под действием внешнего электрического поля изменяется концентрация свободных носителей заряда в приповерхностной области полупроводника. В полевых приборах со структурой МДП внешнее поле обусловлено приложенным напряжением на металлический электрод - затвор. В зависимости от знака и величины приложенного напряжения могут быть четыре состояния области пространственного заряда (ОПЗ) полупроводника - обогащение, обеднение, слабая и сильная инверсия. Полевые транзисторы в активном режиме могут работать только в области слабой или сильной инверсии, т.е. в том случае, когда инверсионный канал между истоком и стоком отделен от квазинейтрального объема подложки областью обеднения.

Полевой транзистор относится к типу приборов, управляемых напряжением. Обычно электрод истока является общим, и относительно его определяются величина и знак прикладываемого напряжения и протекающего тока. Напряжение на затворе МДП_транзистора обозначается значком V_G, на стоке транзистора - V_DS (или V_D), на подложке - V_SS (или V_BS). Ток, протекающий между истоком и стоком, обозначается I_DS (или I_D), ток в цепи “затвор - канал” - I_G. Для полевых транзисторов с изолированным затвором ток затвора пренебрежимо мал, составляет величины пикоампер. По этой причине мощность, расходуемая на реализацию транзисторного эффекта в первичной цепи, практически нулевая.

В области инверсии концентрация неосновных носителей заряда в инверсионном канале выше, чем концентрация основных носителей в объеме полупроводника. Напряжение на затворе V_G, при котором происходит формирование инверсионного канала, называется пороговым напряжением и обозначается V_T . Изменяя величину напряжения на затворе V_G в области выше порогового напряжения, можно менять концентрацию свободных носителей в инверсионном канале и тем самым модулировать сопротивление канала R_i. Источник напряжения в стоковой цепи V_DS вызовет изменяющийся в соответствии с изменением сопротивления канала R_i ток стока I_DS, и тем самым будет реализован транзисторный эффект.

Напряжение, поданное на сток V_DS, вызывает движение электронов в инверсионном слое между истоком и стоком. С точки зрения транзисторного эффекта безразлично, в каком направлении в канале будут двигаться носители. Но, в то же время, напряжение V_DS, приложенное к стоку, это напряжение, приложенное к стоковому n⁺-p переходу. При положительном знаке V_DS > 0 это соответствует обратному смещению стокового n⁺-p перехода, а при отрицательном знаке V_DS < 0 это соответствует прямому смещению p_n перехода “сток - подложка”. В случае прямого смещения p_n перехода “сток - подложка” в цепи стока будет течь дополнительно к току канала еще и большой ток прямосмещенного p_n перехода, что затруднит регистрацию тока канала. В случае обратного смещения p_n перехода “сток -- подложка” паразитный ток будет составлять наноамперы и будет пренебрежимо мал. Таким образом, знак напряжения на стоке V_DS нужно выбирать так, чтобы стоковый переход был смещен в обратном направлении. Для n_канальных транзисторов это условие соответствует V_DS > 0, а для p_канальных транзисторов V_DS < 0.

Напряжение, подаваемое на подложку V_SS, управляет током в канале через изменение заряда в области обеднения Q_B, или, что то же самое, через изменение порогового напряжения V_T. Для эффективного увеличения ширины области обеднения, а следовательно заряда в области обеднения, необходимо подавать обратное смещение на индуцированный электронно-дырочный переход “канал - подложка”. Для n_канальных транзисторов это условие соответствует отрицательному знаку напряжения на подложке V_SS < 0, а для p_канальных транзисторов - положительному знаку напряжения V_SS > 0.

Вольтамперные характеристики МДП-транзистора (с учетом эффекта смещения подложки) имеют вид, как показано на рис. 1.7 и 1.8.

Рис. 1.7. Переходные характеристики МДП-транзистора при V_DS = 0.1 В и различных напряжениях смещения канал - подложка V_SS

Рис. 1.8. Выходные характеристики МДП_транзистора при нулевом напряжении V_SS = 0 В смещения канал-подложка (сплошные линии) и при напряжении V_SS = -10 В (пунктирные линии)

1.2 Оборудование ввода/вывода

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 [9] 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.

На рис. 1.9 для примера изображены некоторые из огромного количества плат сбора данных [15], выпускаемых компанией National Instruments, а на рис. 1.10 представлена многофункциональная DAQ-плата последнего поколения (M-серия компании National Instruments).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1.9. Платы сбора данных компании National Instruments

Рис. 1.10. M-серия - последнее поколение многофункциональных DAQ-плат

На основе платы, изображенной на рис. 1.10, можно построить, например, такие приборы, как вольтметр с точностью 5.5 знаков, 1.25 МГц осциллограф, 2.8 МГц генератор сигналов произвольной формы, 80 МГц счетчик/таймер, 10 МГц 32 разрядный генератор цифровых сигналов и другие.

1.2.2 Приборный интерфейс КОП (GPIB)

Канал общего пользования (КОП, General Purpose Interface Bus - GPIB) был разработан компанией Hewlett Packard в конце 1960 года для обеспечения связи между компьютерами и измерительными приборами [3]. Под каналом понимают способ соединения, с помощью которого компьютеры и приборы обмениваются данными и командами. Канал общего пользования обеспечил необходимые спецификации и протокол для управления процессом передачи. Институт инженеров электротехники и электроники (Institute of Electrical and Electronic Engineers) в 1975 году утвердил GPIB (КОП) в качестве стандарта, который стал известен как стандарт IEEE 488. Первоначальной целью создания КОП было обеспечение компьютерного управления устройствами тестирования и измерения. Однако использование КОП довольно быстро расширилось до таких областей, как осуществление связи между компьютерами и управление универсальными измерительными приборами, сканерами и осциллографами.

КОП является цифровой 24-разрядной параллельной шиной. Шина состоит из восьми линий данных (data lines), пяти линий управления шиной (bus management lines) - ATN, EOI, IFC, REN, SRQ, трех линий квитирования (handshaking) и восьми заземленных линий. КОП использует параллельную 8-битовую асинхронную побайтовую схему передачи данных. Другими словами, байты целиком последовательно передаются по шине со скоростью, определяемой самым медленным устройством на шине. Поскольку по КОП данные передаются байтами (1 байт = 8 бит), то пересылаемая информация, или сообщения (messages), часто представляются в виде символов ASCII. Вы можете использовать КОП для связи с приборами и устройствами, если компьютер оборудован встроенной платой контроллера КОП (или подключен к выносному модулю КОП) (рис. 1.11) и на него установлены соответствующие драйверы.

Рис. 1.11. Платы и модули КОП, выпускаемые компанией National Instruments [15]

Допустимо подключить к одной шине КОП несколько компьютеров и приборов. Каждое устройство, в том числе плата-контроллер, должно иметь свой уникальный адрес КОП в диапазоне от 0 до 30, чтобы источник и приемник данных могли однозначно определяться этим номером. Адрес 0 обычно соответствует плате контроллера шины КОП. Приборы, размещаемые на шине, используют адреса от 1 до 30. КОП имеет один контроллер (обычно это плата в компьютере), который осуществляет управление шиной. Для того чтобы передать команды управления и данные, контроллер устанавливает адрес источника сообщений (Talker) и одного или нескольких приемников (Listeners). Затем строковые данные пересылаются по шине от источника к приемнику (приемникам).

Использование КОП является одним из способов ввода данных в компьютер, принципиально отличающимся от сбора данных DAQ-платами, несмотря на то, что в обоих случаях используются встраиваемые платы. По специальному протоколу КОП предписывает другому устройству или прибору выдать полученные им данные, в то время как функции сбора данных подразумевают подключение сигнала напрямую к многофункциональной плате ввода/вывода в компьютере.

Чтобы задействовать КОП как часть измерительной системы, понадобится плата или внешний модуль контроллера КОП, интерфейсный кабель, компьютер с соответствующим программным обеспечением, а также прибор, совместимый с протоколом IEEE 488, с которым будет осуществляться коммуникация (или другой компьютер, также имеющий плату КОП). Кроме того, необходимо установить на компьютере драйвер КОП.

1.2.3 Аппаратные платформы PXI и VXI

Две другие аппаратные платформы, о которых следует упомянуть, - РХI и VXI.

PXI (compactPCI eXtension for Instrumentation - расширение шины CompactPCI для использования в инструментальных системах) представляет собой модульную аппаратную платформу, активно использующую возможности шины CompactPCI (модификация шины PCI) и программных технологий Microsoft Windows [3]. Типичная конфигурация включает в себя PXI шасси (chassis), в котором находится собственный персональный компьютер -контроллер (controller) - и дополнительные слоты для установки любых типов измерительных модулей: аналогового ввода, ввода изображений, звука, релейных, интерфейсов КОП и VXI и т.д. Компактность, надежность и гибкость делает эту инструментальную платформу привлекательной для большого числа применений.

Внешний вид модульных инструментов PXI и пример PXI-системы показаны на рис. 1.12.

Рис. 1.12. Промышленный компьютер платформы PXI

VXI (VMEbus eXtension for Instrumentation - расширение шины VME для использования в инструментальных системах) - другой стандарт оборудования для модульных измерительных систем (instrument-on-a-card). Появившийся в 1987 году и основанный на шине VME (IEEE 1014), VXI является более высокой по классу и более дорогостоящей системой, чем PXI. VXI представляет собой базовый аппаратный блок (mainframe) со слотами, содержащими модульные инструменты на съемных платах. Многие фирмы предлагают целый набор приборов и базовых блоков различной вместимости. Кроме этого, можно использовать в VXI-системе модули стандарта VME. VXI широко применяется при традиционных измерениях и в оборудовании автоматического тестирования (automated test equipment - ATE). VXI также успешно используется при сборе и анализе данных в научно-исследовательских и промышленных разработках, где требуется очень большое количество измерительных и управляющих каналов (сотни и тысячи).

Марка VXIplug&play используется для обозначения продукции VXI, которая имеет стандартизованные характеристики, дополнительные к базовым. Приборы, совместимые с VXIplug&play, обеспечиваются стандартизованной программной и драйверной поддержкой и унифицированной процедурой установки оборудования, что повышает эффективность их работы и облегчает задачу создания программ.

1.3 Удаленный доступ по протоколам TCP/IP и HTTP

Стек TCP/IP был разработан по инициативе Министерства обороны США более 20 лет назад для связи экспериментальной сети ARPAnet с другими сетями как набор общих протоколов для разнородной вычислительной среды. Большой вклад в развитие стека TCP/IP, который получил свое название по популярным протоколам IP и TCP, внес университет Беркли, реализовав протоколы стека в своей версии ОС UNIX. Популярность этой операционной системы привела к широкому распространению протоколов TCP, IP и других протоколов стека. Сегодня этот стек используется для связи компьютеров всемирной информационной сети Internet, а также в огромном числе корпоративных сетей [6]. Сейчас Интернет часто называют “сетью сетей”, что не удивительно, учитывая то, что в его состав могут входить и входят локальные сети, работающие на самых разных физических принципах. В такой неоднородной среде именно протоколы TCP/IP обеспечивают передачу данных от одного узла к другому независимо от типа сегмента сети.

Архитектура семейства протоколов TCP/IP основана на представлении, что коммуникационная инфраструктура включает три объекта: процессы, хосты и сети [10]. Процессы являются основными коммуникационными объектами, поскольку именно между ними, в конечном итоге, осуществляется передача информации. Выполнение процессов происходит на разных хостах (или компьютерах). Передача информации между процессами происходит через сети, к которым подключены хосты.

Подобное представление позволяет сделать вывод: чтобы доставить данные процессу, их нужно сначала передать нужному хосту, а затем определенному процессу, который выполняется на этом хосте. Более того, эти две фазы могут выполняться независимо. Таким образом, от коммуникационной инфраструктуры требуется маршрутизация и доставка данных между хостами, а хосты, в свою очередь, обязаны обеспечить доставку нужным процессам (рис.1.131 их работы и облегчает задачу создания программ.и унифицированной процедурой установки оборудования, что ).

Рис. 1.13. Коммуникационная инфраструктура семейства протоколов TCP/IP

Основываясь на этом соображении, при разработке семейства протоколов взаимодействия логичным было четкое распределение обязанностей между отдельными протоколами. Разработчиками было выбрано четыре уровня:

· Уровень приложений/процессов (Application/process layer)

· Транспортный уровень (Host-to-host layer)

· Уровень Internet (Internet layer)

· Уровень сетевого интерфейса (Network interface layer)

Уровень сетевого интерфейса составляют протоколы, обеспечивающие доступ к физической сети. С помощью этих протоколов осуществляется передача данных между коммуникационными узлами, подключенными к одному и тому же сетевому сегменту (например, сегменту Ethernet). К этому уровню относятся протоколы Ethernet, IEEE802.x, SLIP, PPP и т.д. Указанные протоколы формально не являются частью семейства TCP/IP, однако стандарты Internet определяют, каким образом должна осуществляться передача данных TCP/IP с использованием перечисленных протоколов.

Уровень Internet составляют протоколы, обеспечивающие передачу данных между хостами, подключенными к различным сетям. Одной из функций, которая должна быть реализована протоколами этого уровня, является выбор маршрута следования данных, или маршрутизация. Сетевые элементы, осуществляющие передачу данных из одной сети в другую, получили название шлюзов (gateway). Шлюз имеет несколько сетевых интерфейсов, подключенных к различным физическим сетям, и его основной задачей является выбор маршрута передачи данных из одного сетевого интерфейса в другой. Основной представитель уровня Internet - протокол IP.

Протоколы транспортного уровня обеспечивают передачу данных между процессами, выполняющимися на разных хостах. Помимо этого, транспортные протоколы могут реализовывать дополнительные функции, например гарантированную доставку, создание виртуального канала и др. К транспортному уровню относятся протоколы TCP и UDP.

Наконец, протоколы уровня приложений обеспечивают функционирование прикладных услуг, таких как удаленный терминальный доступ, копирование удаленных файлов, передача почтовых сообщений и т.д. Работу этих приложений обеспечивают протоколы Telnet, FTP, HTTP, SMTP и др.

Развитие сетевых технологий и связанных с ними протоколов обмена данными наглядно показало необходимость стандартизации этого процесса. Вместе с тем было очевидно, что единый стандарт на все случаи жизни не может решить подобную задачу. Очевидно так же, что коммуникационная архитектура должна иметь модульную структуру, в которой модули обладают стандартными интерфейсами взаимодействия и могут подключаться в соответствии с этими интерфейсами, образуя конвейер обработки данных.

Такая общая модель была принята в 1983 г. Международной организацией по стандартизации (International Organization for Standardization, ISO), и получила название модели взаимодействия открытых систем (Open Systems Interconnections, OSI). Эта модель является основой для объединения разнородных компьютеров в гетерогенную сетевую инфраструктуру.

В модели OSI, как и в TCP/IP, общая функциональность системы разделена на несколько уровней, каждый из которых выполняет свою часть функций, необходимых для установления соединения с парным ему уровнем удаленной системы. В то же время каждый из уровней выполняет определенную обработку данных, реализуя набор услуг для более высокого уровня. Описание услуг и формат их предоставления определяются внутренним протоколом взаимодействия соседних уровней и определяют межуровневый интерфейс.

Модель OSI состоит из семи уровней: Уровень приложений (Application layer), Уровень представления (Presentation layer), Уровень сеанса (Session layer), Транспортный уровень (Transport layer), Сетевой уровень (Network layer), Уровень канала данных (Data link layer), Физический уровень (Physical layer).

Соответствие уровней моделей TCP/IP и OSI приведено в следующей таблице:

1.4.1 Среда графического программирования LabVIEW