（光学专业论文）基于labview平台的光电测量系统.pdf

北京交通人学硕士学位论文中文摘要 中文摘要 摘要：计算机技术与测试仪器技术的结合，出现了新的测试仪器虚拟仪 器。运用虚拟仪器技术能够快速、方便地组建各种自动测试系统，并可以方便地 利用计算机的功能，进行信号分析、数据处理、存储以及图形化显示等。以图形 化软件编程和集成开发环境为标志的虚拟仪器开发环境是虚拟仪器技术应用和发 展的技术基础。 本硕士论文采用的方案是使用计算机软件编程来测量电致吸收。主要通过基 于p c i 总线基础上的g p i b 接口设置，将现代化的微机测控技术和传统的仪器相结 合，利用l a b v i e w 图形化编程语言，模块化方法设计开发，增强了软件的可靠性、 稳定性、缩短软件开发周期。该系统的设计分成四个功能模块，即i o 接口设备初 始化、数据采集、数据生成、数据存储与图标显示。 各仪器的p c 控制程序采用l a b v i e w 语言编写，设计出操作简单、可靠性高、 具有交互式的图形界面的测试系统。该软件系统具有以下功能：( 1 ) 进行程序控制； ( 2 ) 监视测试过程；( 3 ) 记录、整理并分析测试结果，即将测得的数据进行分析处理， 然后显示或绘制图表并储存；( 4 ) 在测试过程中，通过控制台界面显示测试信息， 可了解整个系统的运行状态。 经验证，基于虚拟仪器技术的该测量系统满足测量需求，且稳定性比较好。 关键词：l a b v i e w ；虚拟仪器；g p i b ；电致吸收；锁相放大器； 北京交通大学硕 士 学 位 论 文abst ra ct a bs t r a c t a b s t r a c t ：t h ec o m b i n a t i o no fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dm e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t s i n d u c et h ea p p e a r a n c eo fan e wk i n do fi n s t r u m e n t v i r t u a li n s t r u m e n t ，b yw h i c ha l l k i n d so fm e a s u r e m e n ts y s t e m sc a nb es e tu pf a s ta n dc o n v e n i e n t l y , a n ds i g n a la n a l y s i s ， d a t ap r o c e s s i n g ，s t o r a g ea n dg r a p h i cd i s p l a yc a nb ef i n i s h e db yc o m p u t e r s v i r t u a l i n s t r u m e n td e v e l o p m e n te n v i r o n m e n ti st h et e c h n i q u eb a s i so fv i r t u a li n s t r u m e n t t e c h n o l o g ya p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n t ，t h es y m b o l o ft h a ti s g r a p h i c s o f t w a r e p r o g r a m m i n gm e t h o d sa n di n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t i nt h i st h e s i s ，t h ev i r t u a lm e a s u r e m e n to fe l e c t r o a b s o r p t i o nc o n t r o l l e db yc o m p u t e r s o f t w a r ew a si n t r o d u c e d m o d e mc o m p u t e rm e a s u r e m e n tw a sc o m b i n e dw i t hc e n t r e l t e c h n o l o g yt r a d i t i o n a li n s t r u m e n t sb yg p i bi n t e r f a c es e a i n gb a s e do np c ib u s a n d l a b v i e wg r a p h i cp r o g r a m m i n gl a n g u a g ew a su s e dt om o d u l a r i z ed e v e l o p m e n t a sa r e s u l t ，r e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo fm e a s u r e m e n ts y s t e mw e r ee n h a n c e d ，a n dd e v e l o p m e n t c y c l eo fs o f t - w a r e w a ss h o r t e n e d f o u rf u n c t i o nm o d u l e sa r ei n c l u d e di nt h e d e v e l o p m e n to ft h es y s t e m ：y oi n t e r f a c ed e v i c ei n i t i a l i z a t i o n ，d a t ac o l l e c t i o n ，d a t a g e n e r a t i o n ，d a t as t o r a g ea n d i c o nd i s p l a y p cc o n t r o lp r o g r a mo fd e v i c e sw a sw r i t t e ni nl a b v i e wl a n g u a g e ，a n df i n a l l ya m e a s u r e m e n ts y s t e mw i t hi n t e r a c t i v eg r a p h i ci n t e r f a c e ，c o n v e n i e n to p e r a t i o na n dh i g h r e l i a b i l i t yw a sd e s i g n e d t h i ss o f t w a r es y s t e mh a st h ef o l l o w i n gf u n c t i o n s ：p r o g r a m c o n t r o l ；m o n i t o r i n gt e s tp r o c e s s ；r e c o r d i n g , c o l l a t i n ga n da n a l y z i n gm e a s u r e m e n tr e s u l t s ， i e p r o c e s s i n gd a t aa n dt h e nd i s p l a y i n go rd r a w i n ga n ds a v i n gg r a p h s ；d u r i n g m e a s u r e m e n t ，t h es t a t eo fw h o l es y s t e mc a nb es e e nb yd i s p l a y i n gt e s ti n f o r m a t i o no n c o n t r o l ei n t e r f a c e a f t e rt e s t i f y i n g ，t h i sm e a s u r e m e n ts y s t e mb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n i q u e c o u l dm e e tt h en e e d so fr e q u i r e m e n t ，a n dt h es t a b i l i t yo ft h es y s t e mi si m p r o v e d k e y w o r d s ：l a b v i e w ；v i r t u a li n s t r u m e n t ；g p i b ；e l e c t r o - a b s o r p t i o n ；l o c k i n a m p l i f i e r 北 京交 通 人 学硕士 学位 论文独 创 性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 互磊 签字f tg q ： 护9 年牛月弓日 导师躲船争 签字日期：矽年争月夕e l 致谢 本论文的工作是在我的导师侯延冰教授的悉心指导下完成的，侯延冰教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在过去的两年半里， 侯延冰教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了 我很大的关心和帮助，在此向侯延冰老师表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，师全民、冯志慧、鞠长滨、赵璩、穆林平、 王申伟、尚超等同学对我论文中的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我 的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 北 京交 通 人 学硕士学位论 文绪论 1 绪论 随着科学技术水平的不断提高，测试测量仪器的更新换代很快，虽然现存的 智能仪器在一定程度上能够提供自动化测量，但仍然不能很好地满足实际的测量 要求，因为传统仪器的功能常常是固定不变的，而且不具备基于硬件的功能可扩 展性，这就大大限制了传统仪器的使用范围。 为了满足日益增加的对复杂仪器系统的需求，由p x i 系统联盟( p x i s a ) 在 9 8 年推出的p x i ( p c ie x t e n s i o n sf o ri n s t r u m e n t a t i o n ，面向仪器系统的p c i 扩展) ， 它是一种坚固的基于p c 的测量和自动化平台。自动测试系统的测试速度很快，通 常是人工测试的几百倍【l 】。由于自动测试系统避免了人身误差，能够获得良好的测 试重复性；通过大量的冗余测量和计算，可以在很大程度上消弱随机误差和系统 误差，得到极高的测量精度；通过间接测量的方法，测出基本参量，再由计算机 换算为其它参量，可实现多功能的测试效果。为了提高测试质量和测试速度，更 好地分析和处理数据，在半导体光电器件的研究中建立一套高性能的自动化测试 系统是非常必要的。 内建电势是金属半导体接触和p n 结半导体的进本物理参数之一2 1 。虽然理 论上已对g e 、s i 及g a a s 等材料在单边突变结合线性缓变结两种特殊情况下给出 内建电势的近似值，但对实际情形，还需要通过实验确定。作为有机半导体器件 受界面的影响较严重，搭建一套能实时、快速测量电致吸收的系统也是非常必要 的。 本硕士论文采用的测试测量方法介于传统测量方法和全自动化p x i 方法两者 之间，在实验室现有的仪器设备基础上，通过仪器本身的编程接口对仪器进行编 程控制，而不需添加额外的硬件就可以把多台仪器组合在一起进行同步测量，这 样构成的测试系统基本能满足测量需求【3 】。 北京交通大学硕 士 学位论文虚 拟仪 器 平 台 2 虚拟仪器平台 测试测量仪器发展至今，大致上可以分为：模拟仪器、数字化仪器、智能仪 器、虚拟仪器四个阶段1 3 】。第一代是以电磁机械式为代表的模拟仪表，如伏特表、 安培表、温度表等。常用在精度要求不高、定性指示的场合。数字式仪表是第二 代测量仪器，将模拟信号转化为数字信号测量，可用于响应快和准确度较高的测 量。第三代测量仪器采用了数字信号处理( d i 西t a ls i n g l e p r o c e s s o r ，d s p ) 、系统辨 识、计算机处理等技术，它就是以微处理器为核心的智能仪器【4 】，既能进行自动测 试又具有一定的数据处理能力。由于它的功能块全部都是以硬件的形式存在，在 应用方面灵活性不高。随着电子技术和微机技术的发展，测试技术与计算机进一 步结合，导致一种新的仪器结构虚拟仪器的出王见【5 。 2 1 虚拟仪器 由于计算机技术的高度发展及其在测试测量行业中的应用，新的测试方法、 新的测试领域以及新的仪器结构不断出现，在这种背景下，美国国家仪器公司 ( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ，n i ) 提出的虚拟测量仪器( v i ) 概念，从而开创了“软件即 是仪器( t h es o f t w a r ei st h ei n s t r u m e n t ) ”的先河【6 】。 虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统，在计算机上用图 形界面模拟仪器面板，用程序控制信号的采集、分析、显示、存储和输出等，实 现真实仪器的功能，进而来完成各种测试测量应用。虚拟仪器的图形化数据流语 言和程序框图能自然直观的显示数据流，可轻松地查看、修改数据【7 】。 同传统仪器相比，虚拟仪器技术具有三大优势： l 、性能高、应用灵活 虚拟仪器技术是在p c 技术的基础上发展起来的，可在数据高速存储的同时能 实时地进行复杂的分析；只需升级计算机软件或更换仪器模块，就能改进整个测 量系统。 2 、较短的系统更新周期 虚拟仪器是建立在计算机技术和数据采集技术基础之上的，由于计算机技术 发展非常快速，将使虚拟仪器的更新周期由传统仪器的5 1 0 年缩短到1 2 年【8 捌。 3 、集成 虚拟仪器软件平台为所有的i o 设备提供了标准的接口，将多个测量设备接口 程序集成到单个系统。 2 北 京交 通 大学 硕一i ：学位论文虚拟仪器 平台 虚拟仪器的硬件构成有以下几类：基于g p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) 接口的仪器系统，并行口式虚拟仪器，利用v x i ( v m eb u se x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t ) 总线仪器实现虚拟仪器系统等【i 们。 l 、g p i b 总线方式的虚拟仪器 典型的g p i b 系统由一台p c 机、一块g p i b 接口卡和若干台g p i b 形式的仪 器通过g p i b 电缆连接而成。g p i b 技术用计算机实现对仪器的操作和控制，很方 便地把多台仪器组合起来，形成自动测量系统，提高测试效率。 2 、并行口式虚拟仪器 把仪器硬件集成在盒内，可连接到计算机接口的测试装置。最大好处是可以 与笔记本电脑相连，方便野外作业。 3 、v x i 总线方式虚拟仪器 v x i 总线是一种高速计算机总线。由于它的标准开放、传输率高、定时和同 步精确、模块可重复利用等优点，得到广泛的应用，尤其是在组建大规模自动测 量系统方面。 2 2 数据采集卡 数据通信指的是不同设备之间传输，如计算机之间、计算机与智能仪器、智 能仪器之间。为了传输信号，不同的设备之间要连接起来，这些信号连接线的集 合称之为总线，是组建测试系统的关键部分。 目前国际比较流行的数据传送方式分为并行总线和串行总线，例如i e e e 4 8 8 为并行总线，串行总线包括r s 2 3 2 c ，r s 4 8 5 。为了方便设备之间的数据通讯，国 际上制定了标准总线。目前市场上的产品以p c i 总线系列功能数据采集卡【l i 】为主， p c i 总线作为一种优良的总线标准，与i s a 、e i s a 、v l b u s 等总线相比有着显著 的特点【1 2 1 。 1 、高性能。p c i 总线的时钟为3 3 m h z ，与c p u 时钟无关，3 2 位数据通路时 可达到峰值1 3 2 m b i t s 的带宽；数据总线3 2 位，可扩充到6 4 位。 2 、即插即用。每个p c i 设备上留有2 5 6 个字节的配置空间，支持p c 设备的 即插即用。一旦p c i 插卡插入系统，系统自动为插卡分配存储地址、端口地址、 中断和某些定时信息。 3 、中断共享。采用电平触发的办法：中断信号在系统一侧用电阻接高，而要 产生中断的板卡上将信号拉低。这样不管有几块板产生中断，中断信号都是低； 而只有当所有板卡的中断都得到处理后，中断信号才会回复高电平 4 、低成本。技术规范满足a s i c 要求，可直接连接各种芯片，减少成本。 北京交 通 人学 硕上 学位 论文 虚 拟仪 器平台 实验中选择了c e c 公司的p c i 4 8 8 1 3 】数据采集卡完成数据采集任务；此数据 采集卡采用了先进的d a q p i l p 即插即用、d a q s t c 定时控制器、r t s t 实时系统 集成总线技术，从而保证了仪器性能的可靠性。其中d a q p 1 1 p 技术使得采集板不 需要任何开关与跨接器，实现了设备的完全软件配置；p t i a 技术保证在高增益、 高采样率下的采样精度；d a q s t c 技术提供更加精确的定时控制；r t s t 总线则 解决一台p c 机中多块数据采集板的定时与同步。 2 3 系统软件设计 目前的虚拟仪器开发软件有： 1 文本式编程语言如v i s u a lc h 、v i s u a lb a s i c 、l a b w i n d o w s c v i 等； 2 图形化编程语言如l a b v i e w 、h p v e e 、t e s t p o i n t 等。 2 3 1 虚拟仪器图形化编程语言l a b v i e w 本硕士论文中编程软件选择n i 公司开发的l a b v i e w ，它有以下几个特削1 4 】： 1 、l a b v i e w 使用可视化界面，提供了大量的仪器面板中的控制对象，如表头、 旋钮、图表等； 2 、l a b v i e w 使用图标表示功能模块，图标问的连线表示各功能模块间的数据 传递，使用数据流程图式的语言书写程序源代码； 3 、l a b v i e w 支持多种操作系统平台，如w i n d o w s 9 5 9 8 2 0 0 0 n t 、 p o w e r m a c i n t o s h 、h p u x 、s u ns p a r c 等。在以上任何一个平台上开发的l a b v i e w 应用程序都可以直接移植到其它平台上； 4 、l a b v i e w 提供了6 0 0 多个分析数库，用于数据分析和信号处理； 5 、l a b v i e w 提供了大量的驱动，几乎能与任何接口的硬件轻松连接； 6 、通过d l l 、c i n 节点、n e t 等技术，可实现l a b v i e w 与其他编程语言混 合编程： 使用l a b v l e w 开发平台编写的程序称为虚拟仪器程序，简称为v i ( v i r t u a l i n s t r u m e n t i o n ) 。v i 包括三个部分：程序前面板( f r o n tp a n e l ) 、框图程序( b l o c k d i a g r a m ) 和图标连接器( i c o n c o n n e c t o r ) 。 前面板是用户界面，也就是v i 的虚拟仪器面板，包括输入和输出两类对象， 如开关、旋钮、图形以及其他控制( c o n t r 0 1 ) 和显示对象( i n d i c a t o r ) 。图2 1 所示 是一个随机信号发生和显示的简单v i 的前面板，上面有一个显示对象，显示了所 4 北交通人l 学位论史 产生的随机数；还有一个控制对象开关，可以停i 工作。当然并非简单地画 阿个控件就可以运行，还需要一个与之配套的流程图。 随机数曲蜕图 图2 1l a b v i e w 软件的前面板 陋丽盯i 习 鬟擘 图2 2l a b v i e w 软件的程序框图 流程图提供v i 的图形化源程序。在流程圈中对v i 编程，以控制定义在前面 板上的输入和输出对象。图2 2 是与图2 1 对应的流程图。可以看到流程图中不仅 包括了前面板上的开关和随机数显示器的连线端子还有一个随机数发生器及循 环结构。随机数发生器通过连线将随机信号传送显示控件，为了使它一直工作， 设置了一个w h l l e l o o p 循环，由开关控制循环的结束【j ”。 图标连接器是了v i 被其它v i 调用的接口。图标是子v i 在其他程序框图中 北京交通学顶】。学位论文 被调用的表现形式：而连接器则表示节点数据的输入输出口。用户必须指定连接 器端口与前面板的控件一一对应。r 面罔示为温度计程序( t h e r m o m e t e r v l ) v j 图标 和连接器。连接器一般情况下隐含不显示。 圈田 园 图2 3l a b v i e w 软件的目标幂连接器 如果将v i 与仪器相比较，那么前面板就相当于仪器面板，而流程图上相当于 仪器箱内的设置。l a b v l e w 的强大功能源于它的层次化结构，用户可以把编写的 v i 程序当作子程序调用，以创建更多功能的程序，而这种诵j 】是没有层次限制的。 在本实验中就经常调用子v i 柬编程。 2 32 i o 接口驱动程序 c e c 公司提供的g p i b 一4 8 8 软件是一种将编程环境与数据采集硬件结合起来 的智能型接i s 软件 ”1 。使用g p i b 4 8 8 ，数据采集卡可以与多种应用程序开发环境 集成使用，如微软的v i s u a lc 什、v i s u a lb a s i c ，n i 的l a b v i e w 、l a b w i n d o w s c v i ， c e c 的t c s t p o i n t 等。 2 4 小结 虚拟仪器把计算机、软件和仪器设备结合起来，并将他们融合成为一个整体， 通过将具有一种或多种功能的若干个模块组台起来就能构成一个满足用户需求 的测量系统，使计算机不仅控制仪器完成数据采集、运算和处理工作，而且还可 以用软件代替传统仪器的某些硬件功能，实现其测试功能。 北 京交 通人 学 硕上学位论文 仪器选择 3 仪器选择 本章主要介绍测试系统中所应用的各个仪器设备及其参数特点。图3 1 为搭建 系统的结构图，如图所示，探测器把接收光信号转换为电信号，分为两路，一路 由万用表接收直流电压信号，要求仪器精度高、响应快、能存储数据，测量数值 为1 0 4 v 左右，实验中选择了美国吉时利仪器( k e i t h l e yi n s t r u m e n t s ) 公司型号为2 0 0 0 的数字万用表；另一路接收正弦交流电压信号，由于电场引起光信号相对强度的 变化在1 0 4 1 0 击，而这变化量正是需要测量的，可以用锁相放大器测量这个弱的周 期信号，所以选择了美国斯坦福研究系统公司( s t a n f o r dr e s e a r c hs y s t e m s ，i n c ) 的 数字锁相放大器s r 8 3 0 ；在样品两端不仅需要加正弦交流电压还需要加可扫描的 直流偏置电压，并且还需要一个同正弦交流电压同步的信号做为锁相放大器的参 考输入，综合以上几点要求，实验中选择了n f 公司型号为1 9 4 6 b 的信号发生器。 3 1 锁相放大器 图3 1 系统结构图 锁相放大器是一种能测量极微弱的连续周期性信号的仪器，这些微弱信号可 以小至数纳伏特( n v ) 。连续周期性信号与噪声不同之处，在于前者具有固定的频率 7 北 京 交通大学硕士 学位 论文 仪器选择 及相位，后者则杂乱无章。锁相放大器便是利用所谓“相位灵敏探澳j j ( p h a s e s e n s i t i v e d e t e c t i o n ，p s d ) ”的技术以取得具有特定频率与相位的信号，而不同于此频率的噪 声则被抑制下来，使输出信号不受噪声影响。 3 1 1 原理简介 锁相放大器工作时需要一个参考信号。通常实验装置被一频率固定的信号调 制，而锁相放大器以此调制信号作为参考信号，并探测实验设备输出信号中与此 参考信号同频率的信号强度。参考信号( r e f e r e n c e ) 为一频率为( o f 的方波，设其为 波形产生器的同步信号。此波形产生器输入一个正弦波至实验装置中，并输出另 一正弦波信号( s i 龋a 1 ) 【7 1 。 r e f e r e n c e l o c k - i nr e r e r e n c e 图3 2 锁相放大器输入信号与参考信号 如图3 2 所示，此信号即为我们想要测得的，其可表示为k 协s i n ( c o r t + 最活) 。而 锁相放大器会由参考信号产生对应的正弦波( l o c k i nr e f e r e n c e ) ，其可表示为 ks i n ( c o l t + ) 。锁相放大器先将信号( s i g n a l ) 放大，并利用p s d ( 或乘法器， m u l t i p l i e r ) 将它与参考信号( l o c k - i nr e f e r e n c e ) 相乘，因此p s d 的输出为在真实情况 中，进入锁相放大器的信号在放大后除了待测信号形，。外，同时包含噪声信号。而 p s d 与低通滤波器将仅输出与参考信号频率极为接近的信号，而噪声信号的频率 缸。在通过p s d ) 舌，不论和频q 妇+ 或差频。妇一都将被低通滤波器滤除。 当然，与参考频率极接近的噪声信号仍会通过低通滤波器，使输出中包含缓慢的 噪声变化，频宽较窄的低通滤波器可改善此问题，使得只有与参考信号同频率的 北京变 太学 碳l#位论女 仪选# 信号不受低通滤波器影响而被输出。由前面结果可知，我们需要一个与待测信号 频率相同的参考信号，此外，两者间的帽位必须不随时间改变，即参考信号必须 被待测信号锁相( p h a s e 1 0 c k e d ) 。锁相放人器使用锁相回路( p h a s e - l o c k e d - l o o p ，p l l ) 以产生参考信号。当然，其需要一个山外部提供的参考信号( 以上面的例子，其为 一个方波，但事实上其亦可为其它种波形) 。p l l 会使锁相放人器中内含的内部参 考震荡器( i n t e r n a lr e f e r e n c eo s c i l l a t o r ) 与外来的参考信号锁相，并产生一个频率为 c o r e t ，相位为屯，的参考信号。由于p l l 是动态追踪( a c t i v e l yw a c k s ) ，b 部参考信号 的频率，因此当参考信号随时间变动对，锁相放大器的输出结果仍不受影响。除 了使用来自外部的参考信号( e x t e r n a lr e f ：e r e n c es o u r c e ) 许多锁相放大器亦提供波形 产生器的功能，同时作为实验系统的调制电源以及内部参考信号。 3 12 简单应用 、 光源 ( l e d ) 士r 外来干扰光 箍宇镊相垃酷 私藏一 秸蠢茜 撞嗣信母 图33 锁相放大器测鼍弱光光信号原理示意图 在进行弱光信号的测量时，为了避免外来光线的干扰，需要在暗室罩进行测 量，但也不可能使消除外柬的干扰光。在我们的测量中，电场引起光信号相对强 度的变化在1 0 4 1 0 4 。而这变化量足我们需要测量的，如此弱的信号可依靠锁相放 大器测量。 图3 3 所示的尾一个测弱光量光信号原理图。在l e d 两端加一个交流信号， 图3 4 是示波器测量的结果而使用锁相放大器接收信弓时其直流电压的输出最 nm交通学m l 学位论立怔选择 大为7 v 左右而关灯时示波器测得电压最大为03 2 v ，所以说锁相放大器很好的 把待测信号从噪声中提取出来。 嚣 3 1 3s r 8 3 0 参数 图3 4用示波器测得电压值 图3 5s r 8 3 0 实物照片 实验中采用的是美国斯坦福研究系统公司( s t a n f o r d r e s e a r c h s y s t e m s ，l n e ) 生 产的数字锁相放大器s r 8 3 0 ( 般) 。如图35 所示，简单介绍一r 其特点： 北束交通学顺 l 学位谚女仪 进择 输入通道：s r 8 3 0 输入阻抗为1 0 m ，最小量程输入电压的灵敏度为2 n v 。还有电 流测量输入模式。单线路滤波器( 5 0 h z 或6 0 h z ) 和双线路滤波器( 1 0 0 h z 或1 2 0 h z ) 爿j 来消除线路中有关的噪声。传统的锁相放大器使用带通滤波器束提高动态存 储，但同时也引入了噪声、振幅和相位的误差咀及漂移。s r 8 3 0 采用数字信号 处理设计使其本身就具有很大的动态存储。 高动态存储：在s r 8 3 0 中：先用高精度的a d 转换器对输入信弓进行采样，然 后将这个被数字化的输入信号乘以一个合成的参考信号。这种数字解调技术叮 以得到太于1 0 0 d b 的动态存储( 不加日p 骨滤波器) ，并且不会产生模拟型产品解 调时带柬的误差。 数字化滤波：数字信号处理器同样可以完成输出滤波的任务，允许的时间常数 从1 0 f s 到3 0 0 0 0 s ，且具有6 、1 2 、1 8 和2 4 d b 倍频程衰减速率。低频测量时( 低 于2 0 0 h z ) ，同步滤波器可以滤去参考频率的高次谐波。 数字相位移动：相位测量的分辨率为00 1o ，并且x 输出与y 输出f 交，分辨 率为0 0 0 1 。 藿i 匿 厂d i 6 7 】l ! f 一 鍪。| l ：一 4 盅：茹l l 二j 4 ，= l 。一一 o f f s q t n ，- ；互亘 -；巫! i l 图3 6s r 8 3 0 程序界面 ：d l ：而f 五i f 频率发生器：内置的直接数字合成源能够产生失真极小的参考信号。其产生的 f 面鞋 夏一 蘑一 北目交通学 正弦波频率从l m h z 到1 0 2 k h z 频率和振幅部可通过仪嚣的前而扳设置。当使 使用外部参考信号时，合成源则根据参考信号进行相位锁定。 操作简便：s r 8 3 0 操作起来非常简单。所有的功能都被设置在前面板的按键上， 并且可以通过个旋钮束快速地调整参数。可通过标准的r s 一2 3 2 和 g p i b ( i e e e - 4 8 82 1 接z i 将仪器连接到讣算机上。 图3 6 是用l a b v l e w 编写的控制s r 8 3 0 的程序界面，经实际应用，本程序可 实现s r 8 3 0 日u 面板的所有功能，包括时问常数、灵敏度、输入信号方式、测量量 等各个参数的设置，且长时阃运行后其测量值稳定、精确。 图37 为s r 8 3 0 程序框图的一音| f 分。为使程序简洁、方便读，编写了发送、 接收g p i b 命令的子v i ，以及存储数据的子v i ( 存储数据的速率只能通过程序改 变，实际仪器而板不能改变) ，如罔3 8 所示这几个子v 1 在主程序中多次被调用。 图37s r 8 3 0 程序框图 田园园圈 0 1 _ t 端us t o 黜”砒v 工m 。三嚣：，。 图3 8s r 8 3 0 程序的子v i 圈攀 北 京 变通#删 i 学 位 论立 仪器选择 3 2 万用表 实验中采用美国吉时利仪器( k e i t h l e y i n s t m m b 讼司型号为2 0 0 0 的数字万用 表。其在1 0 v 范围的一年期直流电压精度为00 0 3 ，在i o k q 范围的一年期电阻 精度为o 0 0 5 o t ”i 。以f 是其主要参数： 分辨率：5 1 2 位 直流电压：0 1 v 、1 v 、1 0 v 、1 0 0 v 和1 0 0 0 v 交流电压：0 1 v 、i v 、1 0 v 、1 0 0 v 和7 5 0 v 直流电流：1 0 m a 、1 0 0 m a 、l a 和3 a 交流电流：1 a 和3 a 频率：3 h z 到3 0 0 k h z 周期测量 国谚 警镒? ? 警? ，。j = 曼鼍j 一。野 一t y 7 ，”。，r “， 一 黑_ _ _ l 薹 图39d m m 2 0 0 0 实物照片 判定数字仪表的位数有两条原则： 1能显示从肚9 所有数字的位是整数值： 2分数位的数值是晟人显示值中最高位数字微分子，用满量程时最高位数字 做分母： 51 2 位仪表的最高位只能显示0 、l 的数字，最大显示值为- 4 - 1 9 9 9 争属于台 式智能数字电压表。 北女交通大学仅选择 d cy 0 1 t er 衄= e r d 一 一1 衢 d cc e n tr 呻g er 4 d i “口 h toj - 1 l o 5 翟。 鸣 一1 0 a cv o l t gr r e t d i n g = a 1 1 t o1 ，l 篇t 。o 一2 。5 ：等“”9a u+ 1 ( ) 图3 1 0d m m 程序界向 图3 1 1d m m 程序框图的部分 尸产产严 北i变通人学删l学位论土忸#t# 图31 0 是用l a b v i e w 编写的控制d m m 2 0 0 0 的程序界面，经实际应用，本程 序可实现d m m 2 0 0 0 前面板的大部分功能，主要可测量直流、交流的电压、电流 信号，并可设定采样速率、量程、采样个数、功能选择等，图形和数据值的显示 直观；且长时州运行后其测量值稳定、精确。 图31 1 为其程序框图的一部分，显示的尾测量卣流电压时的部分程序；由于 程序太大，其采样和存储数据的框图部分投有列出柬。 33 信号发生器 露曩雾露曩1 - _ ? ”，1 1 。j 一。寸 i 二 i _ ：，一， l 笙生! 兰兰! 二兰- 图31 2n f 信号发生器 实验中采用了日本n f 公司生产的w f l 9 4 6 b 任意波形发生器，如图3 1 2 ，其 特点为【埘： 采用d d s ( 数宁直接合成) 方式，能产，e 出高精确度、高分辨率、宽频带的信 号。w f l 9 4 6 b 能输h o0 1 u h z 1 5 m h z 的信号，频率精确度为5 p p m 。 具有很高的垂直分辨率，w f l 9 4 6 b 具有1 6 位的波形分辨能力。 5 种标准波形加任意波形。能输出正弦波、方波( 占空比5 0 ) 、三角波、锯齿 波、逆锯齿波、包含噪声的波形、以及任意波形。任意波形可以通过操控板操 作经由g p i b 、u s b 接口柬制作，最多可以存储1 2 种波形。 扫描功能。可以用连续、选通扫抽、线性、对数( 对数限于频率、振幅) 等进 行组合后作扫描。另外，还可以进行a m 、相位( p s k ) 、偏置各种调制。 方波输出。设定方波的占空比，为o 1 0 0 可变( 设定时分辨率为0 0 0 0 1 ) 。 能输出2 通道独立、2 相( 可变相位) 、频率比一定的信号。 单位设定。只要事先输入任意单位名称及其换算公式就能设定和显示任意单位， 可方便地得到符合任意单位的输出信号。 可作为脉冲信号发生器使用。设定脉冲的幅度、周期、高、低电平的值。 为了使键盘操作明白易懂，采用了键盘提示方式。只有f 一步能操作的键，才 会依次点亮，山此随时显示必要且充分的信息。 北 京交 人学删学位论r披g选择 图刨丝些四型旦圈圈 拂靼懈) ： 1 0 0 偏压初抬值 ”是否扫描 啪 正弦r 峰峰值0 t ) 图31 3n f 信号发生器的程序界而 图31 4n f 信号发生器的程序框罔主体部分 图31 3 是用l a b v i e w 编写的控制n f 信号发生器的程序界面，经实际应_ j ， 本程序可实现n f 信号发生器的部分功能，可设定五种波形的输出以及频率，偏 压值，通过开关设定是否扫描，以及扫描的步长等，相比与通过仪器前面板设定 手 描电压更加的方便，且程序k 时间运行后其测量值稳定、精确。 图31 4 为j e 程序框图，在同仪器通信( 发送、接收命令) 的基础卜，编写了 判定扫描开始与结束的子v i 。 9 辩 赫耩 北京变通人学顿1学位论女位# 选择 3 4p c i 板卡 随着微型计算机的发展，与之相适应的计算机总线技术也在不断发展，总线 形式也在不断变换，在本课题中使用了基于p c i 总线的g p i b 接口卡，以满足新一 代计算机产品在用于仪器测量控制方面的使用要求口”。 p c i 一4 8 8 是基于p c i 总线的i e e e - 4 8 8 接口卡。p c i - 4 8 8 将高速和容易编程结合 起柬，使数据采集、测量和任务分析比以往更快。其特点如下口2 1 ： 数据传输较快，每秒1 m 字节的传输速率： 与i e e e q 8 82 全兼容，符合l e e e 4 8 8 ，i e e e 4 8 81 ，i e e e 4 8 82 ，s c p i t 2 3 1 等标准： 支持c c + + ，v i s u a l c c + + ，l a b v i e w ，t e s t p o i n t 等通用语言： 可连接高达1 4 个设备； 图3 1 5p c i 4 8 8 板卡实物图 实验中采用的p c i 一4 8 8 板卡尺寸为1 4 0 m m x l 0 0 m m ，如图31 5 所示可咀插 入任何具有一个具有p c i 插槽的计算机里工作，去控制拥有g r i b 和h p i b 接口 的仪器设备。p c i 4 8 8 能够完成1 e e e 一4 8 82 标准中作为控制器，或是设备方式的说 者和听者的所有要求及选用功能。 p c i 带有自动寻址的即插即用软件提供瞬时接通无切换架构，支持所有 i e e 4 8 8 2 的功能和命令，这些包括：l i s t e n ，t a l k ，g r o u pe x e c u t e t r i g g e r 。g o t o l o c a l ， i n t e r f a c ec l e a r ，l o c a ll o c k o u t ，p a r a l l e lp o l le o n f i g u r e o r d i s a b l e ，r e m o t ee n a b l e ，s e r i a l p o l l ，u n l i s t e n ，a n du n t a l k 【”。 实验中采用的仪器设备都具有g p i b 控制接口，g p i b 接口具有以下优点： a )g p i b 系统组建和拆散灵活、使用方便，可随时断开、连接； b 1g p i b 接口比一般接口的价格贵，但考虑到组成测量系统需连接多个外设、以 北 京 交通人学 硕 士 学位论文仪器选择 及传输速度等多方面因素，g p i b 接口反而比较合算； c )目前存在大量拥有g p i b 接口的仪器【2 5 】； d )已有超过3 0 年的历史，是一种被广泛信任、高度可靠的仪器总线； 3 5 小结 简单介绍了课题中使用的测试设备及其功能特点；由于使用的编程语言 l a b v i e w 具有程序模块化的特点，所以单独为各个测量仪器编写了控制程序，可 做为仪器的p c 控制程序单独使用，也可做为子v i 被其它程序调用以实现其测试 功能；并且编写同g p i b 仪器通信时发送命令、接收数据的子v i ，可嵌套应用到 所有拥有g p i b 接口的仪器的程序中。 北京交通大学硕 二匕 学位 论文测试系统 4 1 原理简介 4 1 1 电致吸收 4 测试系统 电致吸收的测量图如图4 。1 所示，图中电源输出为正弦交流电压和直流偏置电 压的叠加，该图采用测量透射值的方法，即直接测得值为透射值t 。 1 0 7 = 厶【丁+ 丁( q ，矿) 】 ( 4 1 ) 此时，电致吸收a a 的计算公式为： d 幸a a = a t t( 4 2 ) 其中，d 为薄膜的厚度。当采用反射法测量时，相当于两次经过薄膜后的透射， 所以公式改为： 2 d * a a = a t t( 4 3 ) 把测得的数据处理后，就可以得到r z 的值【2 6 1 。 4 1 2 系统结构 l o ti o 图4 1薄膜器件电致吸收测量电路示意图 由信号发生器提供调制电压加在样品两端，光源照射在样品上，探测到的反 射光信号分为两路，一路输入到s r 8 3 0 锁相放大器，提取周期信号；另一路输入 到d m m 2 0 0 0 万用表，提取直流信号。信号发生器、锁相放大器、万用表都由计 1 9 北 京交 通 人学 硕上学位论文 测试系统 算机控制，通过l a b v i e w 软件数据流的特点来控制同步测量，并且测量的数据直 接保存。 4 2 系统程序设计 图4 2 测试系统结构图 软件流