（光学工程专业论文）光电综合实验平台的设计.pdf

摘要 本论文所阐述的光电综合实验平台具有光、机、电、算相结合的特点，目 的在于解决理工科院校现有实验教学仪器模式单一的问题，使实验教学仪器不 仅能够进行本学科的单科教学实验，而且能进行多学科综合性的实验教学，培 养学生的综合实验技能。 光电综合实验平台包括计算机系统、光学实验平台、测量仪表平台、电路 实验台、信号源输出端口、光电倍增管实验装置、信号产生电路板、功能板、 示波输入端口组成；其特征是示波输入端口与功能电路板连接，功能电路板与 计算机系统连接；实验平台上或光学实验平台搭建的被检测系统通过功能电路 板将需要检测的信号送至计算机中，计算机显示屏幕上显示获得被测信号的图 形。 光电实验平台可以完成如下的实验：现代光学仪器实验；模拟电子技术实 验：数字电予技术实验光电器件与光电技术实验等 本课题的主要工作内容如下： 1 、光电器件时间响应特性的测试实验系统的设计与实现。 2 、光电器件伏安特性的测试实验系统的设计与实现。 3 、信号同步驱动和同步采集的设计与实现。 4 、基于c y p r e s s 公司的u s b2 0 总线控制器c y 7 c 6 8 0 1 3 的u s b 总线数据 采集电路的设计与实现。包含硬件电路、固件程序、驱动程序及应用程序 的设计与实现。 5 、基于w i n 2 0 0 0 操作系统，利用v c 6 0 开发光电综合实验人机界面。包含时 间响应特性测试界面、伏安特性测试界面及示波功能界面等。 关键词：多路同步示波功能，u s b 总线，可编程逻辑器件 a b g 兀认c t a b s t r a c t t h i sp a p e ri n t r o d u c e sak i n d o fm u l t i f u n c t i o n s o p t o e l e c t r i c a ls y n t h e t i c e x p e r i m e n t a li n s t r u m e n t i th a so p t i c s ，m e c h a n i s m ，e l e c t r o n i c s ，c o m p u t e rs c i e n c e c h a r a c t e r i s t i c sb a s eo nt h ei n s t r u m e n td e s i g n e d i tp r o v i d e sas o l u t i o n ，w h i c h r e p l a c e ss i n g l em o d e le x p e r i m e n ti n s t r u m e n tw i t hm u l t i f u n c t i o n so n e m u l t i - f u n c t i o n s o p t o e l e c t r i c a ls y n t h e t i ce x p e r i m e n t a li n s t r u m e n ti n c l u d e s c o m p u t e rs y s t e m ，o p t i c a le x p e r i m e n tp l a t f o r m ，m e a s u r e m e n td e v i c e sp l a t f o r m ， e l e c t r i c a lc i r c u i te x p e r i m e n tp l a t f o r m ，s i g n a ls o u r c e ，m u l t i - c h a n n e l ss y n c h r o n i z e d o s c i l l o s c o p es y s t e m ，c l i e n t - s i d es o f t w a r e t h i si n s t r u m e n tc a nd ot h e s ee x p e r i m e n t s ：m o d e r no p t i c se x p e r i m e n t ， a n a l o g a n d d i g i t a le l e c t r i c a lt e c h n o l o g ye x p e r i m e n t ，o p t o e l e c t r i c a l t e c h n o l o g ye x p e r i m e n ta n ds oo n t h em a i nw o r k so ft h i sp r o j e c ta r el i s t e da sf o l l o w i n g ： 1 、t h ee x p e r i e n c es y s t e mo fo p t o - e l e c t r i c a ld e v i c e st i m ed e l a y i n gc h a r a c t e r i s t i c s h a sb e e nd e s i g n e da n di m p l e m e n t e d 2 、t h ee x p e r i e n c es y s t e mo fo p t o e l e c t r i c a ld e v i c e sv o l t - a m p e r ec h a r a c t e r i s t i c s h a sb e e nd e s i g n e da n di m p l e m e n t e d 3 、t h es i g n a lo f d r i v i n ga n da c q u i s i t i o ni ns y n c h r o n i z a t i o nh a sb e e nd e s i g n e da n d i m p l e m e n t e d 4 、t h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nu s bc o n t r o l l e rb yu s i n gc y p r e s s c y 7 c 6 8 0 1 3 c h i ph a sb e e nb u i l t 叩t h i ss y s t e mi n c l u d e ：h a r d w a r ec i r c u i t ；u s b f i r m w a r e ；s o f t w a r ed r i v e r ；a p p l i c a t i o ns o f t w a r e 5 、p r o g r a m m i n ga p p l i c a t i o ns o f t w a r eu n d e rt h eo p e r a t i n gs y s t e mo fw i n 2 0 0 0a n d c l i e n t s i d es o f t w a r e k e yw o r d s ：u u l t i c h a n n e l ss y n c h r o n i z e do s c i l l o s c o p ef u n c t i o n ， u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，c p l d 独创性声明 本人声明所成交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究= 作和取得的研究成果。除 了文巾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 不包含为获得悉叠太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材辩，与我一同工作过的 同志对本研究所傲的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：多聂；父弓曼 签字习期：蒯年7 , e 8 一丑 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大 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 的复制手段保存、汇编以供赉阅和借阅。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：多谈致；量 导师签名： 歪扛有 签字目期：一年7 月，铲日签字日期：坳盔 7 月f 多日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 光电器件特性测试实验设备的现状 我国理工科院校现有的大学实验教学仪器都属于单一模式的仪器，即光学 工程类、模电类、数电类、传感器类等单一功能的实验教学方法和仪器。这些 实验教学仪器虽然能够进行本学科的单科教学实验，但不能进行多学科综合性 的实验教学，更无法培养学生的综合实验技能。 1 2 本课题的意义 本课题设计了一种光电综合实验平台，具有光、机、电、算相结合的特点。 光电综合实验平台包括计算机系统、光学实验平台、测量仪表平台、电路 实验台、信号源输出端口，光电倍增管实验装置、信号产生电路板、功能板、 示波输入端口组成；其特征是示波输入端口与功能电路板连接，功能电路板与 计算机系统连接；实验平台上或光学实验平台搭建的被检测系统通过功能电路 板将需要检测的信号送至计算机中，计算机显示屏幕上显示获得被测信号的图 形。 光电实验平台可以完成如下的实验： 1 现代光学仪器实验 光电综合实验平台的光学实验平台为易于安装各种光学器件的磁性平台， 其上规则地排列着安装螺孔，便于安装各种光学调整机构，完成多种功能的光 学实验，与一般的光学平台无区别。而光电综合实验平台区别于其它光学平台 之处在于光电综合平台下面为能够进行光电检测的综合实验器材。能够进行现 代光学实验所需的实验，是其它光学实验台无法独立完成的工作。 2 光电器件与光电技术实验“1 光电器件的种类很多，实验装置与实验方法类似，主要进行光电器件特性 参数的测试实验，如时间响应特性和伏安特性的测试实验。 光电技术实验内容更为丰富，利用光电综合实验平台中的光学平台可以搭 第一章绪论 建各种光学测量系统与光电检测系统，再利用实验平台提供的计算机软硬件资 源便可以进行许多丰富多彩的教学实验工作。 3 模拟电子技术实验 利用光电综合实验平台电路实验操作平台上提供的电子元器件可以进行 多种模拟电子技术实验，例如晶体三极管特性参数测试实验、各种晶体三极管 交、直流放大器实验等。 4 数字电子技术实验 利用光电综合实验平台提供的器材完全可以进行各种数字电子技术方面 的实验。十分有利于培养学生的动手能力，使学生尽快接触最新的科学技术。 综合实验平台提供的现场可编程逻辑器件( a l t e r a 公司的c p l d 器件) 的编 程口及其编程软件( q u a r t u s i i ) 可以实现各种功能的数字逻辑电路。其i o 端口均引出到电子操作实验平台上，而且电子操作实验平台提供了四路同步观 测的示波输入端口，可同步观测和分析四路逻辑信号波形。 1 3 本课题的主要工作内容 l 、光电器件时间响应特性的测试实验系统的设计与实现。 2 、光电器件伏安特性的测试实验系统的设计与实现。 3 、信号同步驱动和同步采集的设计与实现。 4 、基于c y p r e s s 公司的u s b2 0 总线控制器c y 7 c 6 8 0 1 3 的u s b 总线 数据采集电路的设计与实现。包含硬件电路、固件程序、驱动程序及应用程序 的设计与实现。 5 ，基于w i n 2 0 0 0 操作系统，利用v c 6 0 开发光电综合实验人机界面。包 含时间响应特性测试界面、伏安特性测试界面及示波功能界面等。 第二章光电综合实验平台的概述 第二章光电综合实验平台的概述 2 i 光电综合实验平台的结构 光电综合实验平台基本结构如图2 - 1 所示，它包括计算机系统、光学实验 平台、测量仪表平台、电路实验台、信号源输出端口、光电倍增管实验装置、 信号产生电路板、功能板、示波输入端口组成；其特征是示波输入端口与功能 电路板连接，功能电路板与计算机系统连接：实验平台上或光学实验平台上搭 建的检测系统通过功能电路板将需要检测的信号送至计算机中，计算机通过软 件计算与处理后将结果在显示屏幕上显示出来。 图2 - i 光电综合实验平台基本结构图 i - - 计算机系统2 - - 光学实验平台 3 一测量仪表平台4 一电子实验操作平台 5 - - 信号源输出端口6 - - 光电倍增管实验装置 7 - - 信号产生电路板8 一功能电路板 9 - - - 示波输入端口 4 l 一电子元件接插孔 光学平台由导磁的平板构成，其上便于安装各种光学调整架和光学元器件 第二章光电综合实验平台的概述 以便搭建成各种光学系统。光电接收器常被安装在光学系统中用来接收结果光 信息，进行光电转换，它的输出接到由电路实验台上组建的测量电路中产生电 信息，再通过实验平台的示波输入端口接入计算机进行a d 转换、存储、计算 与分析。 测量仪表台上安装有不同量程的数字电流表与数字电压表，分别用来测量 实验电路的电路直流参数；电路实验台上安装有多种电子元器件以便搭建出各 种实验电路。其中，自动改变量程的数字照度计测量仪表，是与光电定量测量 与分析必不可少的测量仪器，可直接用来组成各种光照参量的测量电路。 实验平台提供多种信号输出端口，这些信号均来自于实验平台内部所安装 的信号产生电路板。 实验平台前面设置有光电倍增管实验装置。使光电倍增管实验能够既方便 又灵活地进行。 实验平台上安装有4 个同步输入的示波插口( 或称端子) ，用来同步、并 行输入4 路电信号；这4 路电信号分别通过各自的处理电路送入计算机完成模 拟电信号的数据采集，实现实验平台所要求完成的4 路信号的同步显示与同步 分析的功能。 实验台提供了多种波形发生器( 如阶梯波发生器与锯齿波发生器等) ，这 些波形是测试与分析光电器件特性必不可少的信号。利用这些信号源能够完成 各种光电器件特性参数的测量实验。 特别值得一提的是电路实验台上设置有易损件安装窗口，光电实验过程中 要用到很多易损件，如二极管、三极管、放大器、可编程逻辑器件等都可能在 实验过程中被意外损坏。为尽可能地减少维修时间确保完成实验工作。将易损 件集中安放在便于更换的窗口内以便于更换易损电子器件。 功能电路板是使实验平台具有示波与图示功能的重要部件，将具有同步逻 辑控制器、示波逻辑、参数设置、a d 组、存储器、伏安特性控制逻辑、数字 阶梯波发生器、数字锯齿波发生器组、接口控制电路等功能的电子元器件焊接 在电路板上。 2 2 光电综合实验平台原理 光电综合实验平台的关键技术为多路同步示波功能。光电器件的时间响应 特性测试实验系统及伏安特性测试实验系统都基于此功能来实现，如图2 2 所 示。 第二章光电综合实验平台的概述 功能电路板测试多路同步示波功能的方法：同步逻辑控制器产生s h 、s p 两路同步脉冲，再通过示波逻辑产生示波控制信号同步控制a d 转换电路组， a d 1 a d 4 ；c h i c h 4 为连接被测电路的4 条信号通道即示波输入端口，分别 连接4 组 d 转换电路；在示波控制信号的控制下同时对4 条信号通道进行a d 转换并将数字信息存放到各自相应的存储器内；示波逻辑发生器在采样数量达 到要求后，向接口控制电路发出信号，请求接口控制电路传输数据，接口控制 电路通过计算机接口总线实现与计算机系统间的数据传输；计算机软件读取各 信号通道的数据，并分别显示在计算机系统的显示器上；s h 、s p 信号的各种具 体设置由计算机软件通过接口总线、接口控制电路发送到同步逻辑控制。 多路同步示波功能的示波逻辑信号的各种具体参数由计算机软件通过接 口总线、接口控制电路进行参数设置，实现同步信号可调。 2 3 光电综合实验平台实验任务 利用光电综合实验平台能够进行多学科的实验教学任务，在诸多的实验任 务中光电器件的时间响应特性测试实验和伏安特测试实验为最基本最耗时的或 最难做的实验工作。下面我们分别讨论这两项实验的完成方法。 2 3 1时间响应特性测试实验嘲 本节所述的方法可用来测试晶体三极管、光电二极管、光电三极管、光电 第二章光电综合实验平台的概述 耦合器件与其它各种光电器件的时间响应特性。具体操作方法如下： 同步逻辑控制器产生s h 、s p 两路同步脉冲，通过时间响应特性控制逻辑 送给数字方波发生器组。方波信号驱动外部光源设备，方波信号驱动的外部光 源设备将方波辐射信号传递给被测电路或元器件。被测电路或元器件的输出信 号分别连接a d 转换电路；在时间响应测试信号的控制下同时对输出信号进行 a d 转换并将数字信息存放到各自相应的存储器内，时问响应测试信号逻辑发 生器在采样数量达到要求后，向接口控制电路发出信号，请求接口控制电路传 输数据；接口控制电路通过计算机接口总线实现与计算机问的数据传输，计算 机软件读取各信号通道的数据，并分别显示在显示器上。 2 - 3 2 伏安特性测试实验 本节所述的方法可用来测试晶体三极管、光电二极管、光电三极管、光电 耦合器件与其它各种光电器件的伏安特性。具体操作方法如下： 测试晶体管、光电耦合器件与各种光电器件的伏安特性的方法：同步逻辑 控制器产生s h 、s p 两路同步脉冲，通过伏安特性控制逻辑分别送给两组数字 信号发生器一数字阶梯波发生器和数字锯齿波发生器组。 阶梯波信号驱动外部光源设备；锯齿波信号驱动被测电路或元器件，阶梯 波信号驱动的外部光源设备将光信号传递给受锯齿波信号驱动被测电路或元器 件。被测电路或元器件的输出信号分别连接a d 转换电路a d 1 a d 4 ；在伏安 测试信号的控制下同时对输出信号进行a d 转换并将数字信息存放到各自相应 的存储器内，伏安测试信号逻辑发生器在采样数量达到要求后，向接口控制电 路发出信号，请求接口控制电路传输数据；接口控制电路通过计算机接口总线 实现与计算机间的数据传输，计算机软件读取各信号通道的数据，并分别显示 在显示器上；s h 、s p 信号的各种具体设置由计算机软件通过接口总线、接口控 制电路发送到同步逻辑控制器。 第三章时间响应特性的测试实验系统 第三章时间响应特性的测试实验系统 本章介绍光电器件的时问响应特性的测试系统的工作原理、整体结构，并 详细介绍系统各个功能模块的实现。 3 1 光电器件的时间响应特性锄 时间响应特性是描述光电器件对入射 光响应快慢的一个参数。即当入射辐射射 到光电器件后或入射辐射遮断后，光电器 件的输出信号上升到稳定值或下降到照射 前的值所需时间称为时间响应特性。为衡 量其长短，常用时间常数t 的大小来表示。 当用一个辐射脉冲照射光电器件，如果这 个脉冲的上升和下降时间很短，如方波。 则光电器件的输出信号由于器件的惰性而 有延迟，把上升时间t ，称为上升时间，而 把t ，称为下降时问。如图3 - 1 所示。 3 2 光电器件时间响应特性的测试方法 苔 罢 0 o 图3 - 1 光电器件时间响应特性图 光电器件的时间响应特性的测试方法如图3 - 2 所示。由方波产生系统产生 方波信号，方波信号输出到光源，用以驱动光源产生入射方波辐射。光电器件 在入射脉冲的作用下，输出信号到方波辐射与光电信号同步采集系统。光源的 驱动信号也输入方波辐射与光电信号同步采集系统。 方波辐射与光电信号同步采集系统输出同步信号s h 、s p 到方波辐产生系 统。在同步信号s h 、s p 有效后，方波产生系统产生方波信号，同时驱动方波 辐射与光电信号的同步采集系统对光源和光电器件输出的信号进行采集。从而 保证光源输出的入射方波辐射与对光电器件输出的信号采集同时进行。通过以 上方法测试光电器件的时间响应特性。 第三章时问响应特性的测试实验系统 图3 2 时间响应特性测试系统结构图 3 3 方波辐射的产生 本节介绍基于c p l d 器件的方波辐射产生系统的工作原理、整体结构，并 详细介绍系统各个功能模块的实现。 3 3 1 方波辐射产生原理 方波辐射产生系统是由u s b 接口、c p l d 、a m p ( 运算放大器) 、数字电位 器、单片机及光源组成。如图3 3 方波辐射产生系统原理图所示，通过u s b 接 口向c p l d 发送指令，设定方波信号的频率，根据指令c p l d 产生方波信号。 方波信号经a m p 运算放大后输出到光源，光源在方波信号的驱动下产生方波 辐射。由于光源的核心器件为发光二极管，其时间响应非常短，可以忽略不计， 所以光源发出的辐射可以被视为方波辐射。 a m p 对方波信号的放大倍率是由数字电位器进行控制。数字电位器的阻值 通过u s b 接口、单片机设置。单片机根据u s b 接口发送的一组数据对数字电 位器进行置数。 第三章时间响应特性的测试实验系统 i- j 1 几九方波辐射一 tv 图3 - 3 方波辐射产生系统原理图 3 3 2 产生方波辐射的驱动电路 由于本项目选用美国a l t e r a 公司生产c p l d 器件产生方波信号。c p l d 芯 片型号为e m p 7 1 2 8 s l c 8 4 1 5 1 3 1 。驱动原理图1 如图3 4 所示。基准时钟信号 由一块8 0 m h z 的晶振产生，该基准时钟信号经由分频器进行分频后，经管脚 c l k 输入。经计数器分别产生占空比为l ：l 的方波信s q u a r t 。同步信号s h 、 图3 4 方波信号驱动原理图 第三章时间响应特性的测试实验系统 s p o 由c p l d 产生的驱动信号时序如图3 5 所示。在图3 5 中，同步信号s h 由 高电平变为低电平时，则方波辐射与光电信号的同步采集系统开始进行工作。 为了达到理想的试验结果，在方波辐射与光电信号的同步采集系统工作一定时 间之后，再出现方波信号的上升沿。这样可以保证光电器件时间响应特性中的 上升时间响应过程的完整数据采集同理方波平信号下降沿出现之后，方波辐 射与光电信号的同步采集系统继续工作一定时间，然后同步信号s h 由低电平 变为高电平方波辐射与光电信号的同步采集系统停止工作。同步信号s p 在同 步信号s h 有效后，驱动a ，d 器件对光电器件的输出信号进行转换。结果如图 3 6 所示。 图3 - 5 方波驱动信号时序图 图3 - 6 光源输出方波辐射波形图 辟 泳誊耋铲甜 k褂汹柑 第三章时间响应特性的测试实验系统 3 3 3 方波辐射输出的处理 c p l d 器件输出的方波信号经由s i g n a l 端输入到如图3 - 7 所示的放大电 路。放大电路由高速宽频带运算放大器( a d s 0 3 1 a n ) 、数字电位器( m i c r o c h i p 公司生产的m c p 4 2 1 0 1 ) 和射极跟随器电路构成。其中r i = r 2 ，r 3 = i l l 。因此， 电路的闭环增益为 口= r n ，r l ( 3 - 1 ) 式中r n 为数字电位器设定的阻值。 显然，电路的闭环增益可以通过设定数字电位的不同阻值r n 进行调节。由 于数字电位器的阻值的设定范围为0 1 0 k l 2 。设r l = l k f l ，根据公式3 一l 可以看 出放大器的闭环增益口的调整范围大于1 2 0 倍。 模拟信号通过射极输出电路输出，以便提高模拟信号对外部电路的驱动能 力。其中r 7 和c 6 用于保护电路，防止外部电路短路时，损害运放电路。r 7 和c 6 分别取值为r 7 = 7 5 q ，c 6 = 1 0 3 p f o 射极输出电路的输入电阻阻值r 。和输出电阻r ，的选择与调整是非常重要的 环节。经过多次实验与比较，最后确定r ，= 2 2 k q ，而r 。= 2 6 k q 最为理想的。此时 放大器的闭环增益的范围接近。2 0 。 第三章时问响应特性的测试实验系统 一、数字电位器的概述及阻值设定 由于数字电位器和模拟电位器相比，数字电位器能够做到精密调整，没有 噪声，有极强的工作寿命，可以通过计算机进行阻值设定。所以，在本项目中 选用数字电位器来控制运算放大器的闭环增益，。项目要求运算放大器的闭 环增益鼻在l 4 之间变化，所以数字电位器的组织范围在0 1 0 k o ，因此选 用m i c r o c h i p 公司生产的数字电位器m c p 4 2 1 0 1 。 ( 一) 数字电位嚣的b c p 4 2 0 1 0 的基本结构m m c p 4 2 0 1 0 是一款含有两个数字电位器的芯片，芯片中每一个数字电位器的 阻值设定范围都为0 1 0 kq 。最高阻值设定时间为2us 。器件为d i p l 4 封装 形式的双列直插型器件，其外形结构与管脚定义如图3 8 ，管脚说明如表3 1 所示。 表3 - 1m c p 4 2 0 1 0 管脚说明 c s s c k s l 络 p b l p w l p a l 1 v1 4 2 至1 3 3 宅1 2 4 惫1 1 5 爻1 0 6 x 9 78 图3 - 8m c p 4 2 0 1 0 管脚图 管脚号符号名称 l c s 片选信号 2s c k 连续时钟信号 3s i连续数据输入信号 4 v s s 电源( 地) 5p b l 电位器1 终端b 6p w l 电位器l 滑动端 7p a l 电位器1 终端a 8p a 0 电位器2 终端a 9p w 0电位器2 滑动端 1 0p b l电位器2 终端b 1 1 r s 复位信号 1 2 s h d n 停j e 信号 1 3s o连续数据输出信号 1 4 v d d 电源( + 5 v ) 数字电位器m c p 4 2 0 1 0 为串行数据输入器件。由于阻值设定数据位为8 b i t ， 器件的阻值设定精度计算公式为： 1 0 k q 2 5 6 3 9 q( 3 - 2 ) 第三章时问响应特性的测试实验系统 m c p 4 2 0 1 0 的基本结构如图3 9 所示西为片选信号，当为低电平时，连续 数据信号s i 输入的数据有效。s c k 为连续时钟信号，当片选信号西为低电平 时，s c k 的上升沿锁定s i 管脚当时 的电平( 1 或0 ) 。p b 0 、p b l 、p a 0 、 p a l 为电位器终端相当于可调电阻 器的两个终端。p w 0 、p w l 则相当于 可调电阻器的滑动端。r s 为复位信 号，当为低电平时，数字电位器进 行初始化。s o 为连续数据输出信 号，当有数字电位器串联使用时， 与下一级数字电位器的s i 管脚连 接，并向向下一级数字电位器输出 连续数据信号。 r ss h d n ( 二) 数字电位器的m c p 4 2 0 1 0 的工作原理硼 图3 0m c p 4 2 0 1 0 基本结构图 m c p 4 2 0 1 0 的驱动脉冲波形图如图3 - 1 0 所示。其中，c s 为片选信号、s c k 为连续时钟信号、s i 为连续输入数据信号。当片选信号c s 为低电平时，连续 时钟s c k 的每个上升沿锁存一次s i 管脚的数据( 0 或1 ) ，连续1 6 次。从而得 到一个1 6 位字符串。然后在片选信号c s 的上升沿，数字电位器将根据字符串 完成阻值的设定。 在1 6 位字符串中，低8 位为d a t a 位，用来设定阻值；高8 位为指令位， 如图3 - 1 0 所示，c 1 、c o 代表执行指令，当c l 、c 0 数值为1 1 时，表示向数字 电位器写数据d a t a 。 p 1 、p 0 代表对数字电位的选择，当p l 、p o 数值为o l 时，表示数字电位 器0 进行阻值设定；当p 1 、p o 数值为1 0 时，表示数字电位器1 进行阻值设定。 u a 硌 sa m a v sl a t c n i t no nt t l er m , n ge d g e o f s c k d a t a 博a 啪a v sc l o c k e do u t o f 仇es op ma f t e r t h e f a l i n ge d g eo fs c k o a 馅r e g i s t e ma 憎 l o a d e do nr i 甜n g e d g eo f c ss h 以 r e g , s t e f 培i o a d e d w 岫z e r o s a t 啦i s 乜r 呻 图3 1 0m c p 4 2 0 1 0 驱动脉冲波形图 科 涨 第三章时间响应特性的测试实验系统 从图3 1 0 中可以看到，当连续时钟s c k 的上升沿到来之前，必须保证连 续数据信号s i 已经准备完毕。 ( 三) 数字电位器与单片机接口 本项目选用p h i l i p s 公司生产的p c 8 9 c 5 4 x 2 单片机控制数字电位器 m c p 4 2 0 1 0 。单片机与数字电位器n c p 4 2 0 1 0 的接口及程序清单如下所示。图3 - 1 1 为p c 8 9 c 5 4 x 2 与m c p 4 2 0 1 0 的接口电路图。管脚p e o p e 3 用于单片机的中断响应信 号和数字电位器的片选信号。管脚p c 0 p c 7 与u s b 接口连接，用于传输设置数字 电位器的阻值设定的数据。对应给出p c 8 9 c 5 4 x 2 所有命令操作的程序清单。“町 图3 - 1 l 单片机与数字电位器接口图 程序清单( 单片机为p c 8 9 c 5 4 x 2 ，晶振为2 4 m ) ： 料宰车奉拳术宰宰幸料奎拳术 木书扣i 料 木料和i 牛宰幸木 料和- 幸车翱髀木 事书木桕纠哮柏i 料 # i n c l u d e v o i di n t e r u p t ( ) i n t e r r u p t2 z h i s h u ( ) ： j v o i dz h i s h u 0 第三章时间响应特性的测试实验系统 u n s i g n e di n td p d a t a ； u n s i g n e dc h a rd a t a _ l 。d a t a _ h i n tj ： d a t al = p i i f ( p e 2 = = 0 ) d a t a _ h = o x l l ： e l s e d a t a _ h = o x l 2 ： d p d a t a = 0 ： d pd a t a = d a t ah ( 8 d p _ d a t al = d a t al ： i f ( p e o = = o 娃p e i = = i ) d po f fc s i = 0 ； f o r ( j = o ：j 1 6 ：j + + ) d ps i l = d pd a t a o x 8 0 0 0 d p s c k i = 0 ： d ps c k i = 0 ： d p d a t a = d pd a t a ( l ： d p _ s c k i = i ： d ps c k i = 0 ： d p s c k i = 0 ： d po f fc s i = i ： r e t u r n ： l i f ( p e o = = l p e i = = o ) ( d p 一0 f f - c s 2 = 0 ： f o r ( j ：0 ：j 1 6 ：j + + ) d ps 1 2 = d p d a t a o x 8 0 0 0 d ps c k 2 = 0 ： d ps c k 2 = 0 ： d p d a t a = d p d a t a e 3 e 2 e 1 。但是电压不能无限地增 量 大，因为任何光电器件都受额定功率，最高 2 工作电压和额定电流的限制。超过最高工 i 作电压和最大额定电流可能导致光敏电 阻永久性损坏。 4 2 光电器件伏安特性的测试方法 u n 图4 - l 光电器件伏安特性图 光电器件的伏安特性的测试方法如图4 2 所示。由阶梯波产生系统产生阶 梯信号，阶梯信号输出到光源，用以驱动光源阶梯波辐射，形成照度数值按比 例依次增加的光波脉冲。由锯齿波产生系统产生锯齿信号，并加载到光电器件 两端，使光电器件的两端工作电压依次上升，最终形成光电器件的锯齿波形扫 描电压。光电器件输出信号到阶梯波辐射与光电信号同步采集系统。光源的驱 动信号也输入阶梯波辐射与光电信号同步采集系统。 阶梯波辐射与光电信号同步采集系统输出同步信号s h 、s p 到阶梯波产生 系、锯齿波产生系统。在同步信号s h 、s p 有效后，阶梯波产生系统产生阶梯 波信号，驱动光源产生阶梯波辐射；并且锯齿波产生系统产生锯齿波形工作电 压，同时驱动阶梯波辐射与光电信号的同步采集系统对光源和光电器件输出的 第四章伏安特性的测试实验系统 信号进行采集。从而保证光源输出的阶梯波辐射与对光电器件输出的信号采集 同时进行。通过以上方法测试光电器件的伏安特性。 锯齿波形扫描电压 斛1 俐 4 3 阶梯波辐射的产生 图4 2 伏安特性测试系统结构图 本节介绍基于d a 器件的阶梯波辐射产生系统的工作原理、整体结构，并 详细介绍系统各个功能模块的实现。 4 3 1 阶梯波辐射产生原理 阶梯波辐射产生系统是由u s b 接口、c p l d 、d a 器件、a m p ( 运算放大 器) 、数字电位器及单片机及光源组成。( 如图4 3 阶梯波辐射产生系统原理图 第四章伏安特性的测试实验系统 所示) 通过u s b 接口向c p l d 发送指令，阶梯波信号的频率。c p l d 根据指令 驱动d a 器件，d a 器件产生相应的阶梯波信号。阶梯波信号经a m p 运算放 大后输出到光源，光源在阶梯波信号的驱动下产生阶梯波辐射由于光源的核 心器件为发光二极管，其时间响应非常短，可以忽略不计。 a m p 对阶梯波信号的放大倍率是由数字电位器进行控制。数字电位器的阻 值通过u s b 接口、单片机设置。单片机根据u s b 接口发送的一组数据对数字 电位器进行置数。 li 1 ，r 一阶梯波辐射 t7 图4 - 3 阶梯波辐射产生系统原理图 4 3 2 产生阶梯辐射的d 器件及其驱动电路 由于本项目要求输出的模拟信号频率较高，故选用美国t e x a s i n s t r u m e n t s 公司生产的t l c 7 2 2 6 c n 数字模拟转换器【1 8 1 。原因为该器件为 8 b i t 并行数据输入，用一个驱动脉冲便可以完成一次数字模拟信号转换，所以 在同一频率的驱动脉冲前提下，较之8 b i t 串行数据输入的转换速度快8 倍。并 且可由c p l d 进行驱动。 第四章伏安特性的测试实验系统 一、d a 嚣件的基本结构“町 t l c 7 2 2 6 c n 是一款4 通道8 b i t 并行数据输入，电压输出的d a 转换器件， 最高驱动频率可达1 5 m h z ，为d i p 2 0 封装形式的双列直插型器件，其外形结构 与管脚定义如图4 4 ，管脚说明如表4 1 所示。 衰4 - 1t l c7 2 2 6 c n 管脚说明 o u t 8 o u l - a v s s r e f a g n d d g n d d b 7 d b 6 d 8 5 d b 4 ( t o pv i e w ) o u t c o u t d v d d a o a 1 w r d b o d b l d b 2 d b 3 图4 - 4t l c 7 2 2 6 c n 管脚图 管脚号符号名称 lo u t b 模拟信号输出通道b 2o u t a 模拟信号输出通道a 3v s s 电源( 地) 4r e f 参考电压 5a g n d模拟地 6d g n d数字地 7 1 4d b 7 d b o 数字输入信号 1 5 w r 写信号 1 6 、1 7a o 、a l 地址信号 1 8v d d 电源( + 1 5 v ) 1 9o u t d模拟信号输出通道d 2 0o u t c模拟信号输出通道c t l c 7 2 2 6 c n 基本结构如图 一 4 - 5 所示。其中r e f 为参考电 压，用于确定模拟输出信号的 幅值；d b 7 d b 0 为并行数字 输入信号，为数字模拟信号的 转换提供参数；w r 为转换使 能信号，低电平有效；a 0 、a ln 为地址信号，用于选择模拟信 “ 号的输出通道，为四选一方式， 图4 - 5t l c 7 2 2 6 c n 基本结构图 同一时间仅有一个通道能输出模拟信号：0 u 1 a o u t d 为模拟信号输出通道， 输出信号为电压模拟信号。 由于d a 器件t l c 7 2 2 6 c n 内部的每个d a c 单元模块与一个a m p 连接， 如图4 5 所示，所以输出的模拟信号形式为电压形式。 伯侣仃侣侣竹佗 1 2 3 4 5 8 7 8 9 伯 第四章伏安特性的测试实验系统 二，d a 器件的基本工作原理 t l c 7 2 2 6 c n 的驱动脉冲波 形图如图4 6 所示。其中，d a t a 为数字输入信号、a d d r e s s 为地 址信号、w r 为转换使能信号。 当转换使能信号w r 为低电平椭搿 时，d a 器件根据d a t a 的数字输 入信号所设定的数值转换成模拟 信号，并将模拟信号输出到地址丽 信号a d d r e s s 所选定的模拟信号 输出通道。当转换使能信号变为 图4 6t l c 7 2 2 6 c n 驱动图 高电平时，将锁定模拟信号输出通道输出的模拟信号的电压幅值( d a t a 数字输 入信号所设定的数值) ，使其不再变化，直至下一个转换使能信号w r 的到来。 当转换使能信号w r 的上升沿到来之前，必须保证数字输入信号d a t a 和地址信 号a d d r e s s 已经准备完毕。否则，d a 器件将转换出无用的模拟信号。 在本系统中，参考电压 r e f 为+ 5 v ，数字输入信号 d a t a 与输出模拟信号的电 压幅值的关系如表4 2 所 示。 由于d a 器件为8 b i t 数字信号输入，所以将参考 电压等分2 5 6 分。故输出的 模拟信号精度计算公式为： 5 v 2 5 6 = 0 0 1 9 5 v( 4 一1 ) 三、阶梯辐射驱动电路设计 表4 - 2 数字信号d a t a 与输出模拟信号幅值对照衰 d a cu 盯c hc o n t e n 丁s a n io go o t p t _ 盯 m s bl s 8 1 11 1 ， + ( 翔 们0 0 1 + v 耐( 猫 o 0 0 0 0 + v 耐( 裟) ：+ 挚 0 1 1 1 1 1 1 + ( 黝 o d 咖1 + v 耐镰) 0 0 0 0 0 0 ( ) o d a 器件的驱动信号由a l t e r a 公司的c p l d 芯片产生。根据项目需要， 选用的c p l d 芯片型号为e m p 7 1 2 8 s l c 8 4 1 5 。阶梯波信号产生时，c p l d 器件 对t l c 7 2 2 6 c n 驱动原理图如图4 7 所示。基准时钟信号由一块8 0 m h z 的晶振 帅 岫 第四章伏安特性的测试实验系统 产生，该基准时钟信号经由分频器进行分频后，经管脚c l ks t e p 输入。经计 数器分别产生转换使能信号w r 、数字输入信号d b 0 d b 7 、地址信号a 0 和 a i 及同步信号s hs t e p 。以上信号经由c p l d 的输出管脚输出给t l c 7 2 2 6 c n 的相应的管脚。 通过对c p l d 的a ia 0 输出管脚预先设定数值，可以选定t l c 7 2 2 6 c n 器 件的模拟信号输出通道。如图4 7 所示，a ia 0 = ll 模拟信号输出通道d 有 效模拟信号始终从此通道输出，其他通道保持低电平。 通过对c p l d 的d b 6 - d b 7 输出管脚在c l k 驱动脉冲的驱动下d b 乒d b 7 的数值从o o l l 依次上升，当数值达到l o o 后计数器归零，然后再次从0 0 依 次上升进行循环。从而使d a 器件输出的模拟信号电压值依次提高，直至达到 峰值后归零并且循环。这样d ，a 器件输出的信号为阶梯波信号。由于d b s - d b 0 设定为1 1 0 0 1 l l ，所以根据公式( 4 1 ) 5 v x 5 1 + 2 5 6 = o 9 9 6 v ，所以阶梯波每 一步升高0 9 9 6 v 8 c o u n t l p 【) n 0 3 1 j n t ，： 图4 7 阶梯波驱动原理图 - 4 0 - 第四章伏安特性的测试实验系统 由c p l d 产生的驱动信号时序如图4 8 所示。在图4 8 中，同步信号s hs t e p 由高电平变为低电平时，则阶梯波辐射与光电信号的同步采集系统开始进行工 作。同步信号s p 在同步信号s h 有效后，驱动a d 器件对光电器件的输出信号 进行转换。结果见图4 - 9 。 p c l k _ 8 t e p o 幔舢叽唧唧i f l 0 咖0 0 唧f i f | 0 蛆皿肌唧咖咖0 0 i 唧叽肌伽肌册哪唧咖唧咖叽肌唧唧舢0 咖8 唧 _ 怖o ，s h _ s r e p 0 - i d 折 1 啮 i i l l - ，0