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

 

Постановка задачи.

 

Вследствие всего изложенного выше были поставлены следующие задачи:

 

1. Разработка программного обеспечения в среде LabVIEW для платы NI-PCI-6221 для проведения измерений семейства выходных ВАХ биполярного транзистора, с возможностью задавать основные параметры эксперимента: максимальное напряжение на базе, шаг изменения напряжения на базе.

Провести тестирование программного обеспечения.

 

1. Разработка программного обеспечения для измерения C-t характеристик  МДП-структур в среде LabVIEW для платы NI-PCI-6221, с проведением калибровки по ёмкости.

Программа должна предоставлять пользователю возможность самому формировать импульс обеднения путём определения параметров: начальное напряжение импульса обеднения, время выдержки начального напряжения, конечное напряжение импульса обеднения.

Должен быть реализован ввод времени, в течение которого будет проходить эксперимент, и шага по времени, через который будет происходить считывание результатов.

Провести тестирование программного обеспечения.

2. Стенд для измерения выходных ВАХ биполярного транзистора.

 

Адаптер NI-PCI-6221 позволяет использовать напряжения от -10В до 10В, вследствие этого возможно исследовать транзисторы как p-n-p, так и n-p-n типа. Для примера был выбран транзистор КТ608Б, физические характеристики которого приведены в приложении 1.

Для проведения эксперимента была выбрана схема подключения биполярного транзистора с общим эмиттером, приведённая на рисунке 8. Макет данной установки был создан ранее автором работы [12].

 

Рис.8 Схема включения биполярного транзистора для измерения ВАХ.

RК=1КОм, RБ=13КОм.

 

 Подключение лабораторного стенда, схема которого приведена на рисунке 8, к плате NI-PCI-6221 проводилось по средствам использования коммутирующего устройства. Для подключения схемы, на ранее созданном макете коммутирующего устройства, описанного в разделе 3 первой главы, были использованы следующие разъемы, выведенные на верхнюю панель макета.

 

Точка на схеме	Разъём на макете коммутирующего устройства
A	AO0
B	AI0
C	AI1
D	AO1

 

В данной таблице использованы следующие сокращения:

• AO – аналоговый выход
• AI – аналоговый вход
• 0;1 – номер канала

 

2.1 Методика измерения выходных ВАХ биполярного транзистора.

 

Для измерения выходной ВАХ необходимо на базу подавать фиксированное напряжения, а на коллектор линейно меняющееся во времени напряжение. Поэтому для получения выходной ВАХ необходимо подавать в точку D переменное, а в точку A постоянное напряжение. Вследствие этого будем наблюдать падение напряжения на резисторе Rк. Исходя из закона Ома для участка цепи (I=U/R) можно будет рассчитать значение тока коллектора. Аналогично можно рассчитать ток базы. Также для схемы с общим эмиттером можно подсчитать коэффициент усиления. Он будет равен отношению тока коллектора к току базы.

Т.к. необходимо получить семейство выходных ВАХ, то появляются два основных параметра: максимальное напряжение на базе и шаг изменения напряжения на базе до максимального. Это необходимо для того, чтобы при измерении каждой ВАХ из семейства знать, при каком напряжении на базе она была получена, а также для возможности указания интервала по напряжению на базе между двумя соседними ВАХ из семейства.

 

2.2 Программа для измерения семейства выходных ВАХ биполярного транзистора.

 

Для проведения автоматизированных измерений семейства выходных ВАХ была написана программа, описание которой представлено ниже.

 

2.2.1 Панель управления.

 

На рисунке 9 представлена панель управления программы реализующей алгоритм получения семейства выходных вольт-амперных характеристик биполярного транзистора.

Рис.9 Панель управления программы для измерения выходных ВАХ биполярного транзистора.

 

Для её создания передней панели были использованы следующие элементы среды LabVIEW:

• Numeric Control – для ввода данных(Uбmax, Шаг)
• Numeric Indicator – для отображения текущих результатов(Uб, Uк, Iк, Iб, Uб и Uк в точках B и C)
• Horizontal Progress Bar – для отображения коэффициента усиления
• XY Graph – для построения семейства выходных вольт-амперных характеристик биполярного транзистора

 

Описание всех представленных на панели управления индикаторов и элементов управления:

1. Uбmax- задаётся максимальное значение напряжения на базе
2. Uб- отображается текущее значение напряжения на базе в точке A
3. Шаг- задаётся шаг изменения Uб до Uбmax
4. Uк- отображается текущее значение напряжения на коллекторе в точке D
5. Iк- отображается текущее значение тока на базе в точке B
6. Iб- отображается текущее значение тока на базе в точке C
7. Uб и Uк в точках B и C- отображается текущее значение напряжения в точках B и C

 

Так же на передней панели представлена схема включения биполярного транзистора, это сделано  для того, чтобы пользователь мог реально увидеть, как устроена принципиальная схема для получения семейства выходных ВАХ биполярного транзистора.

 

2.2.2 Функциональная панель.

 

На рисунке 10 приведена функциональная панель, реализующая алгоритм получения семейства выходных ВАХ биполярного транзистора в среде LabVIEW. Т.к. LabVIEW является языком структурного программирования, то программа, написанная на этом языке, представляет собой блок-схему, которая достаточно просто читается, а алгоритм, реализованный в данной среде программирования, предстаёт перед пользователем весьма наглядным и простым для понимания.

Так же в данной среде достаточно просто отыскать и исправить ошибку, если она возникнет, т.к. при возникновении ошибки место, где она возникла, выделяется бросающимся в глаза цветом и на экране появляется полное описание того, какая это ошибка и с чем она связана. Далее проанализировав причину ошибки её уже достаточно просто устранить.

 

Рис.10 Функциональная панель программы для измерения выходных характеристик.

 

Так как нам необходимо получить семейство кривых, то используется внешний цикл программы. В нём, с заданным в панели управления шагом, меняется Uб.  Внутренний цикл позволяет непрерывно менять напряжение на коллекторе при постоянном напряжении на базе. Оно меняется от 0В до 10В с шагом 0,1. Это возможно реализовать так как в среде LabVIEW можно напрямую подключаться к модулю NI-PCI-6221 создав элемент DAQ Assistant и задав ему необходимые параметры. Для элемента DAQ Assistant отвечающего за напряжение на базе (точка А) необходимо в его свойствах указать аналоговый выход с номером 0 (ao0), а для элемента отвечающего за напряжение на коллекторе (точка D) - аналоговый выход с номером 1 (ao1). Для получения информации с точек В и С, обозначенных на схеме включения, создадим один объект DAQ Assistant, но в его свойствах укажем аналоговые входы с номерами 0 (ai0) и 1 (ai1). Информация с этого объекта будет поступать в виде массива, из которого при помощи элемента Index Array можно выделять отдельно значение в точке В и в точке С. Для этого необходимо на вход Index элемента Index Array подать значение 0 или 1, в зависимости от того значение в какой точке нам нужно (для точки В значение 0, а для С значение 1).

Семейство кривых отображаются на виртуальном осциллографе на панели управления, а на  функциональной панели этот осциллограф представлен элементом Build XY Graph. На вход Х, этого элемента, подводится напряжение поддеваемое на ao1, то есть на коллектор в точку D. А на вход Y подаётся значение тока коллектора (Iк), вычисленное по алгоритму: из значения полученного в точке D (ao1) отнимаем значение в точке С (ai1); дальше эту разность нужно поделить на сопротивление резистора в коллекторной цепи, но так как оно равняется 1КОм то операцию деления делать не обязательно.

В программе также выводится значение тока базы (Iб). Его можно определить по следующему алгоритму: из значения полученного в точке А (ao0) отнимаем значение в точке В (ai0); дальше эту разность делим на сопротивление резистора стоящего в базовой цепи, оно равняется 13 КОм. Коэффициент усиления получается делением Iк на Iб.

Выполнение программы прекращается,  когда текущее Uб становится больше Uбmax.

После написания программы необходимо её проверить на адекватность выдаваемых результатов. Для этой проверки были проведены измерения ВАХ биполярного транзистора, а их результат был сверен с результатом подобных программ.

 

2.3 Тестирование программы.

 

В этом разделе представлены сведения о тестировании программы реализующей алгоритм получения семейства выходных вольт-амперных характеристик биполярного транзистора с помощью модуля NI-PCI-6221. Для проведения тестирования на данной установке было запущено написанное программное обеспечение, результат работы которого приведён на рисунке 11, и сходное программное обеспечение, но написанное на другом языке программирования автором работы [11].

 

Результат работы программы:

Входные данные Ubmax = 2,7 В; Шаг=0,3 В.

 

Ub=2,5 В

Ub=2,2 В

Ub=1,9 В

Ub=1,6 В

Ub=1,3 В

Ub=1 В

 

 

Входные данные Ubmax = 3 В; Шаг=0,65В

 

Ub=2,95 В

 

 

Ub=2,3 В

 

 

Ub=1,65 В

 

 

Ub=1 В

 

 

Рис.11 Выходные ВАХ биполярного транзистора

 

После выполнения программы на экране виртуального осциллографа можно наблюдать семейство характерных кривых, внешне схожих с теоретически описанными, в  первом разделе первой главы, выходными характеристиками биполярного транзистора. Проанализировав результаты с результатами авторов [11] и [12], было получено хорошее соответствие для данного экземпляра транзистора.

Данная установка и программное обеспечение могут быть в дальнейшем использованы для проведения лабораторных работ или исследования характеристик конкретных биполярных транзисторов.

3. Стенд для измерения C(t) зависимости МДП-структур.

 

3.1 Описание установки.

 

Для измерения C(t) и ВФХ зависимостей МДП-структур была разработана и создана универсальная установка автором работы [9], при некотором участии автора данной работы, схема которой приведённая на рисунке 12. В данной схеме выводы AO0, AI0, OUT2, Line0 и Line1 являются точками сопряжения с контроллером NI-PCI-6221 на плате коммутирующего устройства.

Рис.12 Схема установки для измерения ВВФХ и C-t зависимостей.

R1=10КОм, R2=20КОм, R3=100Ом, R4 и R5=15КОм, Rн=5КОм.

C1=1мкФ, Cкал=270пФ, Сн=4нФ.

К1 и К2 – реле РЭС64а, Т1 и Т2 – транзисторы МП37

 

Как показано в разделе 2.1 первой главы, выходной сигнал в точке AI0 будет пропорционален ёмкости МДП-структуры. Для получения истинной ёмкости необходимо провести калибровку с помощью Cкал=270пФ. Про каждую деталь

Для подключения к модулю NI-PCI-6621 на контактной плате (рис.6) были использованы следующие контакты:

 

Обозначение на схеме	Номер контакта на коммутирующем устройстве
Аналоговый выход, АО0	контакт 22
Выход генератора высокой частоты, OUT2	контакт 2
Цифровые линии, Line0 и Line1	контакты 11 и 10 соответственно
Аналоговый вход, AI0	контакт 68

 

3.2 Методика измерения C(t) зависимости МДП-структур.

 

При проведении измерений вначале производится калибровка. Для этого включается реле для калибровки (К1 на рис.12) и подключается калибровочная ёмкость, после чего считывается выходной сигнал и рассчитывается калибровочный множитель и отключается реле для калибровки.

После расчёта калибровочного множителя начинается измерение C(t) зависимости, для этого включается реле для проведения измерения (К2 на рис.12). На выходе ЦАП формируется начальное напряжение(US) подаваемое на МДП-структуру, которое выдерживается определённое время, так называемое время выдержки (tЗ), это время пользователь может определить сам. По истечении времени выдержки (tЗ) начальное напряжение (US) меняется на конечное напряжение (Uf), формируя тем самым импульс обеднения, который показан на рисунке 13.

Далее через интервал времени (шаг по времени), определённый экспериментатором, происходит измерение ёмкости МДП-структуры. Такие измерения длятся заданное время, так называемое время накопления (tН), которое пользователь так же может определить самостоятельно. При каждом измерении происходит расчёт истинной ёмкости МДП-структуры путём умножения выходного сигнала, полученного на АЦП, на калибровочный множитель, рассчитанный при проведении калибровки.

Рис. 13 Формирование импульса обеднения.

 

Измерив C(t) зависимость МДП-структуры можно определить генерационные параметры данной структуры, такие как время жизни неосновных носителей и скорость поверхностной генерации. Метод определения данных параметров описан в разделе 2.2 первой главы.