2.1 Использование платы сбора данных НВЛ-08

2.1.1 Описание платы

Калибровка платы. Плата НВЛ-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. 2.2.

Установка перемычек на плате НВЛ-08. С помощью перемычек на плате НВЛ-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. 2.2.

Рис. 2.2. Схема платы сбора данных НВЛ-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 НВЛ-08 в данной работе выбраны следующие режимы работы платы:

· базовый адрес - 300h;

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

· тип входных линий - однополюсный режим.

2.2 Разработка схемы автоматизированной измерительной установки

В данной работе была поставлена задача разработать достаточно универсальный и портативный автоматизированный комплекс для измерения характеристик биполярного и МДП транзисторов, который полностью должен управляться компьютером. Участие человека в эксперименте при этом сводится только лишь к управлению измерительной установкой при помощи специального программного обеспечения на компьютере. Опираясь на этот основной принцип, можно выделить следующие функциональные возможности установки:

· режим измерения входных и выходных вольтамперных характеристик биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером;

· режим измерения входных и выходных вольтамперных характеристик биполярного транзистора, включенного по схеме с общей базой;

· режим измерения переходных и выходных вольтамперных характеристик МДП-транзистора;

· режим измерения переходных и выходных вольтамперных характеристик МДП-транзистора, учитывая влияние смещения подложки;

· программное переключение между вышеперечисленными режимами измерения характеристик транзисторов;

· возможность ручной подстройки нуля и настройки размахов подаваемого напряжения до +/-12 В;

· размах измеряемого напряжения на биполярном транзисторе +/-5.12 В, на МДП-транзисторе - +/-10.24 В;

· контроль подключения исследуемых транзисторов к плате НВЛ-08.

Зная функциональные возможности платы сбора данных НВЛ-08 и учитывая намеченную функциональность измерительного комплекса, ясно, что одного компьютера, укомплектованного платой НВЛ-08, недостаточно для построения требуемой измерительной установки. Поэтому встает необходимость разрабатывать блок согласования платы НВЛ-08 с исследуемыми транзисторами.

Для достижения намеченной функциональности измерительного комплекса блок согласования должен содержать следующие части:

· систему коммутации между источниками напряжения (цифро-аналоговыми преобразователями) и исследуемыми транзисторами;

· два дополнительных цифро-аналоговых преобразователя (ЦАП), так как одного ЦАП в составе платы НВЛ-08 недостаточно для измерения семейств вольтамперных характеристик транзисторов;

· регистр для расширения разрядности цифрового вывода платы НВЛ-08, так как восьми линий вывода недостаточно для управления системой коммутации и двумя цифро-аналоговыми преобразователями;

· усилитель выходного напряжения ЦАП, встроенного в плату НВЛ-08;

· систему делителей напряжения, так как размах измеряемого напряжения для платы НВЛ-08 составляет всего +/-5.12 В.

Таким образом, функциональная схема измерительного комплекса выглядит так, как показано на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Функциональная схема измерительного комплекса

2.2.2 Синтез принципиальной электрической схемы блока согласования

Функциональные возможности блока согласования реализованы в электрической схеме, представленной на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Электрическая схема блока согласования (без цепей питания, цепей частотной коррекции операционных усилителей и цепи контроля связи с платой НВЛ-08)

Поясняя приведенную схему, я прежде всего сразу хочу отметить, что она не соответствует ГОСТам оформления принципиальных электрических схем, в частности, я опустил здесь позиционные обозначения элементов. Раскрашена же она лишь для наглядности: красным цветом выделены исследуемые транзисторы, зеленым - проводники.

Слева на схеме изображен ряд контактов, связанных с платой НВЛ-08 (6 каналов аналого-цифрового преобразователя, выход цифро-аналогового преобразователя и 8 линий цифрового вывода). Младшие 6 цифровых выводов подключены к 4-разрядному регистру и 5-разрядному цифро-аналоговому преобразователю, построенному на основе масштабирующих резисторов и суммирующего операционного усилителя (вследствие малого количества разрядов ЦАП я не стал прибегать к использованию R-2R-схемы). Регистр в схеме используется для расширения разрядности цифрового вывода платы НВЛ-08. Его выходы подключены ко второму 4-разрядному ЦАП, построенному по тому же принципу, что и первый. Два старших цифровых вывода платы НВЛ-08 управляют системой коммутации, состоящей из двух электронных ключей на основе биполярных транзисторов и трех электромеханических реле (каждое реле - с двумя группами переключений). Реле, обозначенное цифрой 1, предназначено для переключения двух цифро-аналоговых преобразователя (самодельного 5-разрядного и встроенного в плату НВЛ-08, усиленного по напряжению) с одного исследуемого транзистора на другой. Второе реле позволяет менять схемы включения биполярного транзистора - либо с общим эмиттером, либо с общей базой. И, наконец, реле с номером 3 используется для подключения подложки МДП-транзистора к 4-разрядному ЦАП, либо ее заземления (то есть включается или выключается эффект смещения подложки).

Из всех резисторов на схеме особо следует выделить три резистора (обозначены R1, R2 и R3). R1 - резистор, служащий для измерения тока коллектора по падению напряжения на нем; R2 - это резистор, по падению напряжения на котором измеряется либо ток базы, либо ток эмиттера (в зависимости от схемы включения биполярного транзистора); резистор R3 предназначен для измерения тока стока в МДП-транзисторе. Выбор номиналов этих резисторов, конечно, неоднозначен и может варьироваться, исходя из следующих соображений: чем больше сопротивление резистора, тем больше он мешает наращивать напряжение на транзисторе, когда последний начинает открываться, то есть получается что-то вроде плохого амперметра; чем меньше сопротивление резистора, тем труднее регистрировать на нем напряжение, вследствие малости последнего, и без точного вольтметра или хорошего усилителя здесь также нормальный амперметр не получится. В общем, в данной работе я остановился на тех номиналах этих резисторов, которые можно видеть на схеме.

И, наконец, обращаю внимание на делитель напряжения, состоящий из двух резисторов номиналами 80 и 160 кОм (справа от резистора R3 на схеме) и предназначенный для деления напряжения, падающего на стоке МДП-транзистора, пополам (!!!). Все дело здесь в том, что входное сопротивление АЦП платы НВЛ-08, использованной в данной работе, составляет всего 150 кОм (!). И в данном случае правильнее было бы использовать эмиттерный повторитель с большим входным сопротивлением, но, к сожалению, малость входного сопротивления АЦП в НВЛ-08 была замечена уже после создания платы блока согласования.

Можно здесь выделить и еще один существенный недостаток - построение цифро-аналоговых преобразователей без использования источников опорного напряжения. При этом точность ЦАП, безусловно, немного страдает, но в данном случае этой точности вполне достаточно. Электрическая же схема при этом существенно упрощается.

Таким образом, можно сделать заключение о применимости разработанной электрической схемы блока согласования для реализации его функций.

2.3 Разработка аппаратной части установки

Следующий этап данной работы можно условно назвать так: “От схемы до конструкторского проекта”. Теперь, после разработки принципиальной электрической схемы блока согласования, необходимо реализовать ее на печатной плате, используя реальные электронные компоненты с нужными электрическими параметрами.

В данной работе для изготовления печатной платы блока согласования применяются следующие микросхемы:

· операционный усилитель К157УД1 (максимальное выходное напряжение 12 В, максимальный выходной ток 300 мА, напряжение смещения не более 5 мВ);

· 4-разрядный регистр К155ИР1;

· стабилизатор напряжения на +5В L7805CV.

Кроме микросхем используются электромеханические реле фирмы Siemens с двумя группами переключений (напряжение переключения 12 В) и транзисторы КТ604Б в качестве электронных ключей.

После того, как элементная база определена, встает проблема грамотной разводки печатной платы. Этот процесс достаточно трудоемкий и без применения специализированных программных средств может оказаться слишком длительным, кроме того, существует вероятность ошибок. Поэтому для решения этой задачи в данной работе я воспользовался программным пакетом для разработки печатных плат P-CAD 2002 фирмы Altium.

P-CAD 2002 состоит из нескольких отдельных программ, важнейшими из которых для разработки печатных плат являются программы Schematic и PCB. Кроме этих двух программ, о которых я расскажу чуть позже, я использовал программы Symbol Editor, Pattern Editor и Library Executive для создания библиотеки типовых компонентных модулей (рис. 2.5). Типовой компонентный модуль несет в себе всю информацию об элементе схемы, в частности его условное графическое обозначение и посадочное место на печатной плате. В созданную библиотеку была включена вся необходимая информация обо всех элементах, использующихся для изготовления печатной платы блока согласования.

Рис. 2.5. Библиотека типовых компонентных модулей transistors.lib

При наличии необходимой библиотеки (библиотек) типовых компонентных модулей можно приступать к работе с программой P-CAD 2002 Schematic. Эта программа предназначена для разработки принципиальных электрических схем, которая заключается в выборе из библиотеки компонентных модулей нужных элементов, размещении их на схеме и соединении выводов элементов проводниками. При этом на схеме видны только условные графические обозначения элементов, но не их посадочные места. Разработанная ранее электрическая схема блока согласования, только выполненная в программе Schematic, показана на рис. 2.6.

После того, как электрическая схема в программе Schematic готова, необходимо создать файл перечня цепей (это делается в этой же программе), который содержит в себе информацию обо всех связях между элементами и всех атрибутах этих связей.

Далее следует приступать к работе с программой P-CAD 2002 PCB. Из этой программы прежде всего необходимо вызвать созданный файл перечня цепей, после чего станут видны посадочные места всех использованных элементов и в виде тонких линий (паутинки) все электрические связи между ними. Это уже начало работы над топологией печатной платы. Теперь посадочные места, нанесенные на рабочее поле программы, следует разместить наиболее оптимальным образом (рис. 2.7).

Рис. 2.6. Электрическая схема блока согласования, выполненная в программе P-CAD 2002 Schematic

Рис. 2.7. Посадочные места элементов платы блока согласования с нанесенными между ними электрическими связями в программе P-CAD 2002 PCB

После этого нужно осуществлять трассировку проводников на печатной плате, то есть приступать непосредственно к ее разводке. Для достижения этой цели в данной работе было решено воспользоваться внешней программой-трассировщиком Specctra (не входящей в состав P-CAD 2002) фирмы Cadence. P-CAD 2002 поддерживает работу с программой Specctra, поэтому передать проект для автотрассировки в эту программу не составляет труда. Внешний вид программы Specctra с загруженным в нее проектом и уже выполненной работой над ним представлен на рис. 2.8.

Рис. 2.8. Программа Specctra в работе

После трассировки проект возвращается обратно в программу P-CAD 2002 PCB, где при необходимости немного корректируется. В результате получается законченный проект, содержащий готовую топологию печатной платы (рис. 2.9).

Рис. 2.9. Проект с готовой разводкой печатной платы блока согласования

И, наконец, средствами программы PCB легко в нужном масштабе распечатать шаблоны для изготовления печатной платы (рис. 2.10).

Рис. 2.10. Шаблоны для изготовления печатной платы блока согласования

В результате нанесения рисунка шаблонов на текстолит, последующего травления незакрытых участков меди и других технологических операций (пайка и т.п.) была получена печатная плата блока согласования. Фотография платы, уже встроенной в корпус, показана на рис. 2.11.

Рис. 2.11. Фотография созданного блока согласования со снятой верхней крышкой

2.3.2 Работа с блоком согласования

Вид передней панели блока согласования изображен на рис. 2.12. Слева на ней расположены тумблер для включения питания и сигнализирующий об этом светодиод. Далее (слева направо) расположена клеммная панель для подключения исследуемого биполярного транзистора p-n-p-типа. И, наконец, справа на передней панели блока согласования находится клеммная панель, предназначенная для подключения исследуемого МДП-транзистора с индуцированным каналом p-типа.

Рис. 2.12. Вид передней панели блока согласования

Сзади на блоке согласования (рис. 2.13) находится разъем для соединения с платой сбора данных НВЛ-08, установленной в компьютер, а также два гнезда для подключения стабилизированных источников питания на 15 В.

Рис. 2.13. Вид задней панели блока согласования

Внутри корпуса блока согласования (на печатной плате) имеются органы настройки (рис. 2.14), которые позволяют изменять выходные напряжения цифро-аналоговых преобразователей.

При помощи подстроечного резистора 1 устанавливается смещение нуля, а резистора 2 - размах выходного напряжения цифро-аналогового преобразователя, отвечающего за поддержание напряжения на коллекторе исследуемого биполярного транзистора и затворе МДП-транзистора. Резистор 3 служит для регулировки усиления выходного напряжения цифро-аналогового преобразователя, встроенного в плату НВЛ-08. Этот ЦАП поддерживает напряжение на эмиттере или базе биполярного транзистора (в зависимости от схемы включения) и на стоке МДП-транзистора. Резистором 4 устанавливается смещение нуля, а резистором 5 - размах выходного напряжения 4-разрядного цифро-аналогового преобразователя, необходимого для подачи напряжения на подложку МДП-транзистора.

Рис. 2.14. Органы настройки блока согласования

Настраивая таким образом блок сопряжения, можно приспособить его для измерения характеристик транзисторов практически любого типа, к примеру, не только p-n-p-, но и n-p-n-транзисторов.

3. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ УСТАНОВКОЙ

Из многообразия сред для разработки программ в данной работе была выбрана среда LabVIEW 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 cэкономить время на разработку программ, достигая при этом высокого качества разрабатываемого программного обеспечения, а пользователю предоставляет удобный и наглядный интерфейс в стиле Windows-программ, наиболее подходящий для выполняемой работы.

3.1 Локальное программное обеспечение

В данной работе в среде LabVIEW было разработано локальное программное обеспечение, которое предназначено для управления автоматизированным измерительным комплексом при помощи компьютера, непосредственно входящего в состав комплекса, и позволяет производить измерения вольтамперных характеристик (ВАХ) биполярного и МДП транзисторов в различных режимах, среди которых можно выделить следующие:

· автоматический режим измерения семейства входных ВАХ биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером;

· автоматический режим измерения семейства выходных ВАХ биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером;

· автоматический режим измерения семейства входных ВАХ биполярного транзистора, включенного по схеме с общей базой;

· автоматический режим измерения семейства выходных ВАХ биполярного транзистора, включенного по схеме с общей базой;

· автоматический режим измерения семейства переходных ВАХ МДП-транзистора в зависимости от напряжения на стоке;

· автоматический режим измерения семейства переходных ВАХ МДП-транзистора в зависимости от напряжения на подложке (при заданном напряжении на стоке);

· автоматический режим измерения семейства выходных ВАХ МДП-транзистора в зависимости от напряжения на затворе;

· автоматический режим измерения семейства выходных ВАХ МДП-транзистора в зависимости от напряжения на подложке (при заданном напряжении на затворе);

· ручной режим измерения ВАХ биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером;

· ручной режим измерения ВАХ биполярного транзистора, включенного по схеме с общей базой;

· ручной режим измерения ВАХ МДП-транзистора с учетом влияния смещения подложки.

В рамках названных режимов работы созданное программное обеспечение позволяет изменять различные параметры эксперимента, записывать полученные данные в файлы текстового формата и другие удобства. Кроме этого, программа имеет наглядный интерфейс (рис. 3.1), динамически изменяющийся при выборе различных режимов измерения.

Рис. 3.1. Лицевая панель созданного виртуального прибора (программы) для измерения ВАХ транзисторов

Блок-диаграмма (программный код), реализующая описанную функциональность виртуального прибора, приведена на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Блок-диаграмма созданного виртуального прибора для измерения ВАХ транзисторов

В приведенной блок-диаграмме кроме стандартных функций LabVIEW используются три специально разработанные вспомогательные подпрограммы:

1. программа управления аналого-цифровым преобразователем, входящим в состав платы НВЛ-08 (рис. 3.3);

2. программа управления регистром на печатной плате блока согласования (рис. 3.4);

3. программа, обеспечивающая запись данных в файл текстового формата (рис. 3.5).

Рис. 3.3. Блок-диаграмма виртуального подприбора, управляющего аналого-цифровым преобразователем

Рис. 3.4. Блок-диаграмма виртуального подприбора, управляющего регистром

Рис. 3.5. Блок-диаграмма виртуального подприбора, обеспечивающего запись данных в файл

Также следует отметить, что программа активно использует узлы свойств элементов лицевой панели для достижения наибольшей динамичности. Это означает, что в процессе выполнения программы ненужные элементы управления или индикации могут скрываться от пользователя, а это в свою очередь означает исключение каких-либо ошибок с его стороны. Таким образом, лицевая панель созданной программы получается очень информативной, что крайне упрощает процесс управления измерительным комплексом: по сути, работа пользователя сводится к переключению “мышкой” тумблеров на лицевой панели, изменению положения ползунков, нажиманию кнопок и к вводу требуемых числовых значений, интервал которых также ограничен для пользователя.

Кроме этого, вначале работы программа проверяет связь с блоком согласования, в случае отсутствия которой программа выдает предупреждение.

Для примера на рис. 3.6 приведен вид лицевой панели программы во время ручного режима измерения ВАХ МДП-транзистора, а на рис. 3.7 - вид этой же программы во время автоматического режима измерения выходных ВАХ биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером.

Рис. 3.6. Программа во время ручного режима измерения ВАХ МДП-транзистора

Рис. 3.7. Программа во время автоматического режима измерения выходных ВАХ биполярного транзистора

При апробации работы созданного программно-аппаратного комплекса для измерения характеристик транзисторов были получены следующие результаты, представленные на рис. 3.8 - 3.11.

Рис. 3.8. Результат измерения входных и выходных ВАХ биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером

Рис. 3.9. Результат измерения входных и выходных ВАХ биполярного транзистора, включенного по схеме с общей базой

Рис. 3.10. Результат измерения переходных и выходных ВАХ МДП-транзистора

Рис. 3.11. Результат измерения зависимости переходных и выходных ВАХ МДП-транзистора от смещения напряжения на подложке

3.2 Клиент-серверное программное обеспечение