Создание программного обеспечения на LabVIEW для лабораторных работ, созданных на базе котроллер NI-6221

Здесь используется то свойство ВФХ, что поверхностные состояния не дают вклада в емкость МДП структуры C, т.е. Cэксп = Cтеор. Таким образом, рассчитав теоретическую зависимость C(VG) для каждого ys, можно этому значению ys поставить в соответствие точку на экспериментальной зависимости C(VG) и рассчитать спектр поверхностных состояний Nss по запрещенной зоне полупроводника, учитывая связь поверхностного потенциала ys с положением уровня Ферми на поверхности.

 

1.2.2 Исследование генерационных характеристик МДП-структур.

 

Генерационные характеристики имеют большое значение для работы приборов типа ПЗС и других, работающих на неравновесном обеднении, поэтому данные характеристики весьма интересны для исследований.

К генерационным характеристикам МДП-структуры относят время жизни неравновесных носителей и скорость поверхностной генерации.

Один из методов определения этих параметров - метод Цербста. Данный метод получил широкое распространение из-за простоты измерения C(t) зависимости. В основу метода положено выражение,

 (2.9)

которое, после преобразования можно записать в следующем виде:

 (2.10)

Измерив экспериментальную кривую и построив зависимость вида

 (2.11)

можно по углу ее наклона определить время жизни неосновных носителей, а из отрезка, отсекаемого на оси ординат, скорость поверхностной генерации.

Недостатками метода Цербста являются необходимость графического дифференцирования, результатом которого является невысокая точность получаемых значений, и то, что этот метод учитывает не все механизмы генерации в области неравновесного обеднения [8].

Получение C(t) зависимости, для увеличения скорости проведения эксперимента и упрощения последующей обработки результатов, можно автоматизировать. Это приведёт к тому, что возрастёт точность эксперимента и снизятся затраты на проведения эксперимента.

Ранее, автором работы [14], уже была создана установка позволяющая автоматизировать процесс получения ВВФХ и С(t) зависимости МДП-структуры. Для проведения автоматизированных измерений с возможностью удалённого доступа, автором работы [8], было разработано программное обеспечение при помощи адаптера НВЛ-03 [15]. Этот адаптер имеет 10-разрядный АЦП, который позволяет измерить уровень входного напряжения до ±5В в диапазоне частот 0-12,5 кГц. Для работы этой установки необходимо использование внешнего оборудования, такого как: генератор (используется генератор низкой частоты Г3-112), ЦАП (выполненный в виде отдельной платы), усилитель и синхродетектор (оба прибора представлены селективным нановольтметром Unipan 232B) (рис. 5).

 

1.3 Многофункциональное устройство сбора данных NI PCI 6221.

 

Основным инструментом автоматизации лабораторных установок, в данной работе, будет являться контроллер NI-PCI-6221, произведённый фирмой National Instruments, который позволяет проводить измерения, не используя никаких внешних приборов, таких как вольтметр, амперметр, источник постоянного тока, генератор и т.д.

Данный контроллер, относящийся к М-серии, инсталлируется в PCI слот материнской платы. Он имеет входы и выходы для аналоговых сигналов, цифровые входы-выходы (3 порта по 8 линий), а также генератор и таймеры-счетчики, выведенные на те же линии цифрового ввода-вывода.[3]

 

Цифровой ввод/вывод

Число линий	24
Число портов	3
Разрядность портов	8 бит
Частота передачи данных	0 – 1 МГц
Размер буфера FIFO	2.047
Высокий уровень входного сигнала	2.2 - 5.25 В
Низкий уровень входного сигнала	0 - 0.8 В
Выходной ток	24 мА (0 порт), 16 мА (1,2 порт)

 

Счетчики-Таймеры

Число счетчиков/таймеров	2
Разрядность	32
Внутренняя частота	80, 20, 0.1 МГц
Внешняя частота	0 - 20 МГц

 

Генератор частоты

Число каналов	1
Основная частота	10 МГц, 100 кГц
Делители	1 - 16

   

 Аналоговый ввод

Число каналов	8 дифференциальных или 16 одиночный
Разрядность АЦП	16 бит
Скорость передачи данных:	0 - 250 килосэмплов/с
Разрешение по времени	50 нс
Пределы измерения:	±10 В, ±5 В,±1 В, ±0.2 В
Ширина полосы частот (-3 дБ)	700 кГц
Размер буфера FIFO	4.095 сэмплов (отсчетов)

   

 Аналоговый вывод

Число каналов	2
Разрядность ЦАП	16 бит
Скорость передачи данных:	740 килосэмплов/с
Разрешение по времени	50 нс
Пределы измерения:	±10 В
Выходной ток	±5 мА
Размер буфера FIFO	8.191 сэмплов (отсчетов)

 

Аналоговые и цифровые входы и выходы имеют раздельные собственные общие шины (земля). Есть линии, на которые выведено напряжение +5В с блока питания компьютера. На линию 62 выведен сигнал выбора пределов измерений. 

Подключение к модулю NI-PCI-6221 осуществляется при помощи коммутирующего устройства CB-68 LP. Для удобства подключения к коммутирующему устройству на его основе создан макет, на верхнюю панель которого выведены разъемы для подключения.[4] Номера контактов и их назначение приведены в таблице:

 

AI 0	68	34	AI 8
AI GND	67	33	AI 1
AI 9	66	32	AI GND
AI 2	65	31	AI 10
AI GND	64	30	AI 3
AI 11	63	29	AI GND
AI SENSE	62	28	AI 4
AI 12	61	27	AI GND
AI 5	60	26	AI 13
AI GND	59	25	AI 6
AI 14	58	24	AI GND
AI 7	57	23	AI 15
AI GND	56	22	AO 0
AO GND	55	21	AO 1
AO GND	54	20	NC
D GND	53	19	P0.4
P0.0	52	18	D GND
P0.5	51	17	P0.1
D GND	50	16	P0.6
P0.2	49	15	D GND
P0.7	48	14	+5 V
P0.3	47	13	D GND
PFI 11/P2.3	46	12	D GND
gPFI 10/P2.2	45	11	PFI 0/P1.0
D GND	44	10	PFI 1/P1.1
PFI 2/P1.2	43	9	D GND
PFI 3/P1.3	42	8	+5 V
PFI 4/P1.4	41	7	D GND
PFI 13/P2.5	40	6	PFI 5/P1.5
PFI 15/P2.7	39	5	PFI 6/P1.6
PFI 7/P1.7	38	4	D GND
PFI 8/P2.0	37	3	PFI 9/P2.1
D GND	36	2	PFI 14/P2.6
D GND	35	1	PFI 12/P2.4

 

AI N – аналоговый вход N,. AI GND - земля аналогового входа,

AO N – аналоговый выход N, AO GND - земля аналогового выхода,

P N.M – линия M порта N цифрового ввода/вывода, D GND –земля цифрового ввода

Рис. 6 Внешний вид контактной платы CB-68LP

 

 

Рис. 7 Внешний вид контроллера NI-PCI-6221

 

Данный контроллер, по сравнению с адаптером НВЛ-08 и НВЛ-03, имеет значительные преимущества в том, что включает в себе гораздо больший набор функциональных возможностей, таких как: генератор частоты, счётчики, таймеры, два ЦАПа и большую разрядность АЦП. В совокупности всё это позволяет строить на его основе гораздо более сложные автоматизированные системы без использования внешнего оборудования.

Программирование, под данный контроллер, будет производиться в среде LabVIEW. Этот язык программирования выбран, потому что он разработан той же фирмой, что и контроллер. Данная фирма поставляет драйвера для работы с контроллером в среде LabVIEW, поэтому появляется возможность полностью использовать всё функции данного контроллера при разработке программ.

 

1.4 Среда программирования LabVIEW.

 

Программный продукт LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench), разработанный фирмой National Instruments(NI), как средство прикладного программирования по своей логической структуре близок к конструкции языков C или Basic. Однако он имеет одно существенное отличие от них - не требует написания текстов программ, а использует язык графического программирования для создания программ в виде блок-схем, т.е. похож на объектно-ориентированные языки программирования, привычные для широкого круга пользователей.

Как универсальная система программирования, LabVIEW имеет обширные библиотеки для приёма, обработки, анализа и представления данных, поддержка стека протоколов TCP/IP, работа с БД.

Динамично развивается и собственно среда LabVIEW. Первая ее версия  (LabVIEW 1) была разработана  корпорацией NI в 1986 году в результате поисков путей сокращения времени программирования измерительных приборов. Версии со второй по шестую, каждая последующая из которых существенно расширяла возможности предыдущей версии по обмену данных с измерительными приборами и работе с другими программными средствами,  появлялись соответственно в 1990, 1992, 1993, 1996 и 2000 годах. Седьмая версия (LabVIEW 7) была создана корпорацией NI в 2003 году. Главные её особенности – введение раскрывающихся узлов, что расширяет возможности диалогового режима,  и  применение драйверов нового поколения NI-DAQmx, в результате чего существенно упрощается процедура сбора и отображения данных и ускоряется быстродействие операций аналогового ввода-вывода.[6]

Одним из основных достоинств комплекса LabVIEW является возможность работы с преобразовательными приборами. Главное назначение данных приборов – сбор и обработка аналоговых сигналов, поступающих от датчиков реальных физических объектов, и управление этими датчиками.

В следствии этого LabVIEW включает в себя библиотеки инструментов для:

· сбора данных,

· обмен данными с устройства по GPIB (Многофункциональный Интерфейс фирмы HP) ,

· обмен данными с устройства по стандарту RS-232,

· анализа данных,

· представления данных,

· хранения обработанных данных на носителях различного типа.

LabVIEW также включает стандартные средства автоматического проектирования приложений, такие, что разработчик программы может устанавливать контрольные точки, представлять в виде стендовой модели выполнение своей программы, так, чтобы видеть, как данные проходят через программу шаг за шагом, чтобы упростить понимание происходящих процессов.

Система LabVIEW разрабатывалась под графические операционные системы, такие как Windows 95/98, где работа осуществляется, как правило, при помощи мыши. После запуска программы на экране появляются две совмещённые панели, одна из которых имеет серый фон рабочего пространства, другая - белый. По своему назначению панель с серым рабочим фоном называют панелью управления (Controls), а панель с белым рабочим фоном - функциональной панелью (Functions).

Панель управления является не только панелью, с которой происходит управление созданным виртуальным инструментом, но и является панелью, выполняющей контрольные функции. Для выполнения этих функций на панели управления располагаются контролирующие элементы - приёмники данных различного типа (в LabVIEW их называют индикаторами), в том числе графические индикаторы и другие элементы контроля.

Из опции Controls вызываются цифровые приборы (Numeric), управляющие элементы (Boolean), строчные элементы для размещения в них текста и таблицы (String & Table), массивы и кластеры (Array & Cluster), графические индикаторы различного назначения (Graph) и другие.

Функциональная панель используется для сборки графической блок-схемы из виртуальных инструментов в форме иконок, соединённых между собой и реализующих операции обработки данных и управления ходом выполнения программы. Иконка представляет собой графическую пиктограмму, отражающую функциональное назначение объекта.

С функциональной панели вызываются структуры для организации циклов в программе, многослойные структуры, формульный узел для вычислений, математические и физические константы (Structs & Constants); сумматоры, умножители (Arithmetic); тригонометрические и логарифмические функции (Trig & Log); логические элементы сравнения (Comparison); преобразователи форматов чисел и структур (Conversion); преобразователи строк (String); преобразователи массивов и кластеров (Array & Cluster); генераторы сигналов различной формы, анализаторы спектра, фильтры, приборы преобразования Фурье и линейной алгебры (Analysis) и другие.[5]