（微电子学与固体电子学专业论文）基于数字示波器的铁电材料参数测试系统.pdf

华中科技大学硕士学位论文 ：= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 摘要 铁电材料的铁电性能主要由电滞回线、i v 特性和开关特性等反映出来。铁电材 料在电极化强度与电场强度间的关系上呈现电滞回线，在电流与电压关系上呈现i - v 特性，在电流与时间关系上呈现开关特性。 本文研制出一套测量铁电材料电性能参数的计算机辅助自动测试系统，整个系统 由硬件和软件两部分组成。 系统硬件的主要功能是对铁电材料的各种电性能参数如电滞回线、i v 特性及开 关特性等进行测量、控制和采集，完成铁电材料各种电性能参数的原始数据测量。它 主要由铁电材料参数测试模块、数字存储示波器和控制模块等三部分组成。铁电材料 参数测试模块主要由信号发生器、均衡器、缓冲器、功率驱动器和高压发生器等组成， 可输出正弦、三角、矩形和双极性双脉冲等多种波形；数字存储示波器完成波形显示 和数据采集；控制模块由p c i 1 7 3 4 卡和逻辑控制电路组成，完成按钮和旋钮的逻辑 和物理功能。 系统软件由通讯模块和界面模块两部分组成：通讯模块实现初始化示波器和从示 波器读取波形数据；界面模块由登陆窗体、衰减窗体、主窗体和参数设置窗体组成， 实现了单通道和合成曲线移动、互相切换的功能；具有波形分析功能，实现了合成曲 线中心对称和相移功能；计算剩余极化强度p r 、饱和极化强度p s 和矫顽场e c 等电性 能参数；保存并打印波形数据和采样电容、样品厚度、样品面积和测试频率等相关参 数，方便了不同样品的性能比较。 关键词：铁电材料数字示波器电滞回线数字i o 卡 华中科技大学 硕士学位论文 a b s t r a c t t h ee l e c t r i c a lp r o p e r t i e so ff e r r o e l e c t r i cm a t e r i a l sa r es h o w e db yt h eh y s t e r e s i sl o o p ， i vc h a r a c t e r i s t i ca n ds w i t c h i n gc h a r a c t e r i s t i cp r i m a r i l y t h eh y s t e r e s i sl o o pp r e s e n t st h e r e l a t i o nb e t w e e np o l a r i z a t i o na n de l e c t r i cf i e l d t h ei vc h a r a c t e r i s t i cp r e s e n t st h er e l a t i o n b e t w e e nc u r r e n ta n dv o l t a g e t h es w i t c h i n gc h a r a c t e r i s t i cp r e s e n t st h er e l a t i o nb e t w e e n c u r r e n ta n dt i m e t h et h e s i sf o c u s e so nd e v e l o p i n gac o m p u t e r - a i d e ds y s t e m f o rm e a s u d n gt h e f e r r o e l e c t r i cm a t e r i a l s e l e c t r i c a lp a r a m e t e r s t h ew h o l es y s t e mc o n s i s t so ft w op a r t s ： h a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h ef u n c t i o no ft h eh a r d w a r ei st om e a s u r et h ee l e c t r i c a lp r o p e r t i e so ff e r r o e l e c t r i c n l a t e r i a l sa n dt oc o n t r o lt h ed e v i c ef o rm e a s u r i n gt h ef e r r o e l e c t r i cm a t e r i a l s e l e c t r i c a l p a r a m e t e r s ，a n dt o c o l l e c tt h e s eo r i g i n a ld a t a t h i sp a r tc o n s i s t so ft h r e em o d u l e s ：t h e m o d u l eo ff e r r o e l e c t f i cp r o p e r t i e sm e a s u r i n g ，d i g i t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p ea n dc o n t r o l m o d u l e t h em o d u l eo ff e r r o e l e c t r i cp r o p e r t i e sm e a s u r i n gi sc o m p r i s e do fs i g n a lg e n e r a t o r , e q u a l i z e r , b u f f e r , p o w e ra m p l i f i e ra n dh i g hv o l t a g eg e n e r a t o r i tc a n g e n e r a t em a n yk i n d so f s i g n a l ss u c ha ss i n ew a v e ，t r i a n g u l a rw a v e ，r e c t a n g u l a rw a v ea n db i p o l a rd o u b l ep u l s e a l l t h e s ew a v e sa r eb a s i cs t i m u l a n ts i g n a l sf o rm e a s u r i n gt h ef e r r o e l e c t r i cp r o p e r t i e s t h e f u n c t o no fd i g i t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p ei st od i s p l a yw a v e f o r ma n dc o l l e c td a t a c o n t r o l m o d u l ei sm a d eo fp c i 17 3 4c a r da n dl o g i cc o n t r o lc i r c u i t ，a n dc o m p l e t e st h ef u n c t i o no f p b u t t o na n d k n o b s y s t e ms o f t w a r ec o n s i s t so fc o m m u n i c a t i o na n di n t e r f a c em o d u l e ：t h ec o m m u n i c a t i o n m o d u l ef u n c t i o n si n i t i a l i z i n gd i g i t a lo s c i l l o s c o p ea n dr e a d i n g t h ed a t af r o md i g i t a l o s c i l l o s c o p e t h ei n t e r f a c em o d u l ei sm a d eu po fl o a d i n gw i n d o w , d e c a y i n g w i n d o w , m a i n w i n d o wa n dp a r a m e t e rs e t t i n gw i n d o w , t h es y s t e m c a na c c o m p l i s hm o v m gt h e s i n g l e c h a n n e la n ds y n t h e t i cc u r v e s ，s w i t c h i n gt h et w ot y p e sm e n t i o n e da b o v e t h es y s t e m c a np l a yw a v e f o r ma n a l y s i s ，p h a s es h i f t i n ga n dc e n t r o s y m m e t r yo ft h es y n t h e t i cc u r v e s ； c a l c u l a t ef e r r o e l e c t r i ce l e c t r i c a lp a r a m e t e r s ；s a v ea n dp r i n tw a v e f o r md a t as u c ha ss a m p l e c a p a c i t o r , s a m p l et h i c k n e s s ，s a m p l e d i m e n s i o na n ds oo n t h es y s t e mm a k e st h e c o m p a r i s o nb e t w e e nd i f f e r e n ts a m p l e sm o r ec o n v e n i e n t l y k e y w o r d s ：f e r r o e l e c t r i cm a t e r i a l sd i g i t a lo s c i l o s c o p e h y s t e r e s i sl o o p s d i g i t a li oc a r d i i 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密瓯 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者躲强膏指导教师虢 彬年b 月i 弓日 乙i ，。各年牛月弓日 ，于尹 华中科技大学硕士学位论文 ：= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 1 1 铁电材料研究概况 1 绪论 1 1 1 铁电材料的发展史 自从1 9 2 0 年v a l a s e k 现罗息盐晶体【2 】具有铁电性开始至今，铁电材料的发展经历 了三个阶段，首先是发现了两种铁电结构即罗息盐和k h p o 系列，后者包括k h 2 p 0 4 ， k d 2 p 0 4 ，r b h 2 p o ，c 2 h 2 p 0 4 。然后经历了起始于四十年代的铁电体材料阶段，在这 一阶段发现了b a t i 0 3 陶瓷具有铁电性，并提出了解释其铁电性的钛离子位移模型【3 】。 在七十年代进入了铁电薄膜的发展时代，钛酸钡是人们最早制备出来的铁电薄膜，随 后人们用真空技术制备出了含铅的铁电化合物p z t 、p l t 、p t 薄膜以及l i n b 0 3 、 b h t i 3 0 1 2 和( s r , b a ) n b 2 0 6 等铁电薄膜，八十年代人们又用溅射工艺和化学工艺 ( s 0 1 g e l ，c v d ，m o d ) 在蓝宝石、熔凝石英和s r t i 0 3 透明基片上外延生长了铁电薄膜， 后来又用激光闪蒸法合成了p z t 铁电薄膜。 8 0 年代中期以来，由于薄膜制备技术的发展，扫清了制备高质量铁电薄膜的技术 障碍，特别是能在较低的衬底温度下淀积高质量的外延或择优取向的薄膜，使铁电薄 膜工艺技术与半导体工艺技术的兼容成为可能，正是在这种研究背景下，传统的半导 体材料与陶瓷材料相结合而形成了交叉学科集成铁电学一。 8 0 年代后期以来，铁电薄膜的研究一直是国际先进材料研究中十分活跃的研究领 域j 有一系列的其它专业会议如国际铁电应用讨论会( i s m ) 、国际集成铁电讨论会 ( i s i f ) t 5 1 、欧洲集成铁电体会议( e m i f ) 等专门研究铁电薄膜的制备、表征和应用。 1 1 2 铁电薄膜的制备技术及评价 铁电陶瓷薄膜的制备方法大体可分为物理方法和化学方法两大类。物理方法包括 真空蒸发 6 】、磁控溅射【7 1 、离子束溅射嘲、分子束外延( m b e ) 【9 1 等方法；化学方法包括 金属有机物化学气相沉积( m o c v d 【1 0 】) 、低压气相沉积( l p c v d ) 、等离子体增强化 学气相沉积( p e c v d t l 2 1 ) 、激光诱导化学气相沉积( l c v d ) 、溶胶一凝胶法 ( s 0 1 g e l 1 4 】) 和液相外延( lp e 1 5 】) 等。 华中科技大学硕士学位论文 一：= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 在铁电薄膜的各种制备方法中，物理方法制备薄膜不易引入杂质，污染少，薄膜 沉积速率较高，成膜条件易于控制，可制备出高质量稳定的薄膜。化学方法能严格控制 化学计量比，工艺设备简单，所得薄膜的多项性能参数接近块材。金属有机物化学气相 沉积( m o c v d ) 采用气态源供应方法，生长温度的可控性好，有利于大面积超薄层材 料生产。但一些含有铁电薄膜成分的易挥发金属有机物源较难获得，且源物质纯度、 稳定性难以满足要求，限制了其应用。溶胶凝胶法( s 0 1 g e l ) 具有合成温度低、化学计 量比准确、均匀性好、易于掺杂改性、工艺简单、成本低和成膜面积大、厚度易控制 等优点，是目前研究较多的一种方法。 1 1 3 铁电材料的应用 铁电材料具有优良的铁电、压电、热释电、电光和非线性光学效应，可以利用这 些性质制备不同的功能器件，并可通过铁电薄膜材料与其它材料的集成或复合，制作 集成性器件。利用其压电效应可制备微驱动器、电声换能器、声表面波器件【l6 1 、微控 制器【1 7 1 和微型压电马达等；利用其铁电效应可制备非挥发性铁电随机存取存储器 ( f r a m ) t 1 8 j ；n n 其高介电性可制备动态随机存取存储器( d r 伽旧；利用其热释电效应 可制备热释电红外探测器 1 9 】、红外监视器和热成像系统等；利用其非线性光学效应可 制备倍频、三倍频、混频和差频器；利用其电光效应可制备激光电光开关、光偏转器 和光调制器等。由铁电薄膜和微电子技术相结合而发展起来的集成铁电学已成为当前 国际铁电学研究中最活跃的领域，铁电薄膜异质结构刚是集成铁电器件的核心。 随着铁电材料制备技术的不断完善和应用领域的不断扩大，研究者对铁电材料各 个参数的快速、准确的测试提出了更高的要求，因此铁电材料测试系统的研制和开发 尤为重要。 1 1 4 铁电材料测试仪概况 1 1 4 1 国外发展概况 德国a i x a c c t 公司针对不同的用户要求开发了四套测试系统： ( 1 ) t f 2 0 0 0 铁电综合测试系统 t fa n a l y z e r2 0 0 0 系统【2 1 1 是一款专家级铁电综合测试系统，它采用模块化的设计， 包括f e ( f e r r o e l e c t r i cs t a n d a r dt e s t i n g ) 、p s ( f a s tp u l s es w i t c h i n gt e s t s ) 、d r ( s e l fd i s c h a r g e t e s t i n g ) 、r x ( r e l a x a t i o nc u r r e n tm e a s u r e m e n t ) 等模块，提高t n 试的灵活性，广泛地应 华中科技大学硕士学位论文 ：= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 用于各种热释电、铁电和压电材料在传感器、执行器和存储器等领域的研究，适用于 薄膜、厚膜和块状陶瓷及铁电器件的分析测试。 f e 模块可提供的测试功能有：动态电滞回线和静态电滞回线测试；疲劳测试； 保持力；印迹；漏电流测试；p u n d 脉冲测试；访问时间；电容电压曲线( 可选) ； 电流电压曲线；电流时间曲线；蝴蝶曲线测试和d 3 3 测试；压电系数测试( 需要与激 光干涉仪或者原子力显微镜连用) ；损耗测试( 可选) 等。p s 模块用于测量铁电材料 极化时的开关速度，测量精度可达5 0a s 脉冲宽度和1 2n s 上升时间，适用于评价铁 电存储器的开关特性。r x 模块用来测量铁电材料极化和退极化时的漏电流。d r 模块 用于铁电存储器的存储访问时间和保持时间的测量。 ( 2 ) t f 1 0 0 0 铁电测试系统 t f 1 0 0 0 铁电测试系统是一款铁电综合测试系统，具备铁电、压电材料所有基本 特性测试功能，包括动态电滞回线、疲劳测试、保持力、印迹、漏电流测试和p u n d 脉冲测试，适用于薄膜、厚膜和块状陶瓷及铁电器件的分析测试。 ( 3 ) e a s y c h e c k 铁电基本测试系统 e a s y c h e c k 铁电基本测试系统是经济型铁电基本测试系统，可以测量电滞回线、 疲劳测试和漏电流等基本性能，该设备适合于薄膜材料、体材料及铁电器件的测试。 ( 4 ) 压电特性评价系统 由德国a i x a c c t 公司研制开发的压电特性评价系统是目前该领域测试精度最高 的测试设备。该系统由t fa n a l y z e r2 0 0 0 专家级铁电分析仪、高压放大器( 最大 1 0 k v ) 、变温体材料样品盒( 室温到2 5 0 ) 、温度控制器以及双束激光干涉仪( 分辨 率 “选件”一 “r s 2 3 2 设 置”； ( 3 ) 按下“波特率”选项按钮，设置串口通讯波特率，本系统波特率为9 6 0 0 ； ( 4 ) 按下“e o l 字串 选项按钮，设置结束位，本系统为l f ； ( 5 ) 把计算机r s - - 2 3 2 串口参数设置成与示波器相同。 系统中示波器设置成平均值采样的方式，平均次数为1 2 8 ，触发类型为边沿触发， 触发方式为自动触发，每次采样保存2 5 0 0 个点波形数据。 计算机通过r s 2 3 2 串口向示波器发送采集指令，示波器保存波形数据并通过通 讯扩展模块t d s 2 c m a 中的串口返回采集数据，这样就获得了模拟信号u x 和u y 的 数字量化电压值，绘出u x t 曲线和u y t 曲线。以u x 为横座标，u y 为纵坐标可绘出 电滞回线、i v 特性曲线和开关特性曲线。填写采样电容、样品厚度、样品面积参数 后，通过公式p r - - - u r c o a 和e c = u x d 自动计算出剩余极化强度和矫顽场，最后将 波形数据和相关参数保存在数据库中，以便以后打开查看或编辑等。 4 4 自动控制模块 自动控制模块的主要功能是通过p c i 1 7 3 4 数字i o 卡来程控测试电路板上的继电 器组和数字电位器，替代z t - i 铁电参数测试仪的机械开关和机械电位器，实现测试仪 的计算机程控功能。程控是指计算机程序的输出信号“0 ”或“1 ”转变成数字狄) 卡 的数字量输出信号“0 或“1 ，即转换成相应控制电平。 4 4 1 自动控制原理 自动控制模块采用研华p c i 1 7 3 4 数字i o 卡输出负脉冲，在电路板上产生相应的 脉冲电平输入，从而控制电路板上的继电器按照一定的逻辑工作，实现按钮的按下或 开关的通断；使用数字电位器替代机械电位器，通过脉冲输入实现电阻的增大或减小， 从而实现旋钮的功能。通过编程使p c i 1 7 3 4 输出8 位数字量，每位分别对应于材料、 波形、电容、补偿、清零、频率以及频率上升、下降，电压上升、下降按钮，每次只 在某位输出一负脉冲，当输出位为1 时，输出电压为0 7 v ，使控制电路中相应的继电 器吸合，实现按钮的按下或开关的通断，从而实现了计算机对测试仪的控制。置位5 5 5 华中科技大学硕士学位论文 ：= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 脉冲发生器清零端可输出一负脉冲到数字电位器的输入端，从而增大或减小数字电位 器电阻，实现旋钮的旋转；当稳定置位清零端时，将实现旋钮连续旋转功能。利用数 字电位器可存储滑动端位置的功能，当c s 为高且i n c 也为高时，断电后不保存滑动 端位置，从而实现电压清零，而c s 为高且i n c 为低时，断电后保存滑动端位置，从 而保存频率大小。 本系统所用的i o 控制卡是a d v a n t e c h 公司的p c i 1 7 3 4 控制卡。程控过程中 的转变都是由p c i 卡完成的，p c i 卡是基于p c i 总线而开发的。 4 4 2 p c i 接口总线 ， 随着w i n d o w s 图形用户界面的迅速发展以及多媒体技术的广泛应用，要求系统具 有高速图形处理的i o 吞吐能力，这使原有的i s a 、e i s a 总线不能适应高速图形处理 而成为整个系统的主要瓶颈。1 9 9 1 年下半年i n t e l 公司首先提出p c i 概念，联合i b m 、 c o m p a q 、a s t 、h p 、a p p l e 、n c r 、d e c 等1 0 0 等家公司成立了p c i 集团。p c i 总线 d o 】的英文名称：p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c ts p e c i a li n t e r e s tg r o u p ( 外围部件互 联专业组) ，简称p c i s i g 。p c i 是一种先进的局部总线，已成为局部总线的新标准， 广泛用于当前高档微机( 台式) 、工作站以及便携式微机。 p c i 总线( p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ) 是1 9 9 2 年由i n t e l 公司主持设计的一种 系统总线。p c i 产总线规范1 0 版由i n t e l 公司推出，2 0 版于1 9 9 3 年4 月由p c i 集团 推出。这个总线是一种时钟同步型输入输出总线，总线接口上所有信号的逻辑和时序 都作了严格的定义，数据线为3 2 位，可扩充到6 4 位。在传输数据时，最高速度为1 3 3 m 字节，秒，适用于图形显示等要求高速数据传输的应用场合。总线支持线性猝发传输方 式，即在猝发方式下地址可不断递增，连续传输任意长度的数据块，而且支持写猝发 方式。 p c i 总线是一种不依附于某个具体处理器的局部总线。从结构上看，p c i 是在c p u 和原来的系统总线之间插入的一级总线，具体由一个桥接电路实现对这一层的管理， 并实现上下之间的接口以协调数据的传送。管理器提供了信号缓冲，使之能支持1 0 种外设，并能在高时钟频率下保持高性能。p c i 总线也支持总线主控技术，允许智能 设备在需要时取得总线控制权，以加速数据传送。 p c i 总线的主要性能：总线时钟频率3 3 3 z 6 6 6 m h z ；总线宽度3 2 位6 4 位； 最大数据传输率13 3 m b s ( 2 6 6 m b s ) ；支持6 4 位寻址；适应5 v 和3 3 v 电源环境。 2 1 华中科技大学硕士学位论文 ：= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = p c i 总线特点： ( 1 ) 传输速率高：最大数据传输率为1 3 3 m b s ，当数据宽度升级到6 4 位，数据传 输率可达2 6 6 m b s 。这是其他总线难以比拟的。它大大缓解了数据i o 瓶颈，使高性 能c p u 的功能得以充分发挥，适应高速设备数据传输的需要。 ( 2 ) 多总线共存：采用p c i 总线可在一个系统让多种总线共存，容纳不同速度。通 过h o s t - p c i 桥接组件芯片，使c p u 总线和p c i 总线桥接；通过p c i i s a e i s a 桥设 备一起工作接组件芯片，将p c i 总线与i s a e i s a 总线桥接，构成一个分层次的多总 线系统。高速设备从i s e i s a 总线卸下来，移到p c i 总线上，低速设备仍可挂在 i s a e i s a 总线上，继承原有资源，扩大了系统的兼容性。 ( 3 ) 独立于c p u ：p c i 总线不依附于某一具体处理器，即p c i 总线支持多种处理 器及将来的新处理器，在更改处理器品种只需更换相应的桥接组件。 ( 4 )自动识别与配置外设，用户使用方便。 ( 5 ) 具有与处理器和存储器子系统完全并行操作的能力。 ( 6 ) 具有隐含的中央仲裁系统，提供地址和数据的奇偶校验。 4 4 3p c i 一1 7 3 4 数字i o 卡 p c i 1 7 3 4 是一款具有宽输出范围( 5 - 4 0 v d c ) 3 2 路隔离数字量输出卡，有很高输 出驱动能力；隔离保护电压可到2 5 0 0 v d c ，隔离输出通道高汇点电流( 2 0 0 m a 每通 道) ；具有用于电感负载的完整抑n - 极管和用于隔离输出通道的d 型接口。 4 4 3 1 数字i o 卡主要特点 ( 1 ) 强大的保护功能：p c i 1 7 3 4 如果连接到具有浪涌保护的外部输入源，p c i 1 7 3 4 可以提供最大2 0 0 0 v d c 的静电释放( e s d ) 保护。 ( 2 ) 复位保护：当系统热重启动( 不关闭系统电源) 时，p c i 1 7 3 4 根据卡上的跳线 设置，能够保持每个通道的输出值，或返回到它们打开状态的默认配置。该功能能够 避免在系统意外重启动过程中的误操作对系统带来的危险。 ( 3 ) p c i 总线即插即用：p c i 1 7 3 4 是一款p c i 总线卡，完全符合p c i 总线的r e v 2 1 标准。所有与总线相关的配置，比如基地址和中断分配等都是由软件自动完成的。用 户无须进行跳线或d i p 拨码开关的配置。 ( 4 ) 板卡i d 设置：p c i 1 7 3 4 带有一个d i p 拨码开关，当p c 机箱中安装了多块 p c i 1 7 3 4 采集卡时，可使用此开关来定义每块卡的d 。当用户使用多块p c i 1 7 3 4 采 华中科技大学硕士学位论文 集卡构建自己的系统时，设置功能极为有用。如果采集卡的设置正确，用户可以很 方便的在硬件配置和软件编程过程中区分和访问每块采集卡。 ( 5 ) 设置重启状态：p c i 1 7 3 4 用跳线j p 2 来选择设置重启后每个数字输出通道保持 上一次的数字量输出设置和输出值，或者返回到默认配置。这种特有的功能能使用户 选择在每次重启后清除原来输出设置和输出值并保持原有设置和输出值而只有当系 统断电后才清除。卡上输出通道的默认配置是“o f f ”。在断电后，卡将清除它的设置 和输出值返回默认状态。 4 4 3 2 软件和硬件的安装 ( 1 ) 设置板卡跳线和开关，关掉计算机，将板卡插入到计算机后面空闲的p c i 插槽 中； ( 2 ) 使用随卡所带光盘安装板卡的驱动程序； ( 3 ) 检查板卡是否安装正确，可以通过右击“我的电脑”，点击“属性”，弹出“系 统属性”框：选中“硬件“页面，点击“设备管理器”；将弹出画面，如图4 - 8 所示： 从图中可以看到板卡已经成功安装； 图4 - 8 板卡安装图 ( 4 ) 从开始菜单程序a d v a n t e c hd e v i c ea u t o m a t i o n d e v i c em a i l a g e r ，打开a d v a n t e c h d e v i c em a n a g e r , 当您的计算机上已经安装好产品的驱动程序后，它前面将没有红色叉 号，说明驱动程序已经安装成功。p c i 总线的板卡插好后计算机操作系统会自动识别， d e v i c em a n a g e r 在i n s t a l l e dd e v i c e s 栏中m yc o m p u t e r 下也会自动显示出所插入的器 件，p c i 1 7 3 4 数据采集卡的软件和硬件已经安装完毕，就可进行板卡测试。 4 4 3 3 板卡的使用方法 华中科技大学硕士学位论文 图4 - 9 为p c i 1 7 3 4 与继电器的连接示意图，p c i 一1 7 3 4 有3 2 路隔离数字量输出通 道，每个输出通道都连接一达林顿晶体管阵列，且每八路通道共用一发射极p c o m ， i l n ；, e m a li e 】a e m a l i 0 l o d e 1 俐 人 n 丫p c o m l 一一一咱唧 乒 肼 i 1 r 、1人 l 、1 d 0 1 l s o b l e d 呐d 0 2 c i r c u i l 习翳 c ) 耕 霜囊! r 、1 南o o ， 了l 6 旷。 e g n d 图4 - 9p c i 一1 7 3 4 与继电器连接示意图 每一路与发射极之间都接有用于电感负载的完整抑制二极管。当某个输出通道外接 5 - 4 0 v 电压，且输出打开时( 最大电流2 0 0 m a ) ，通过每个e g n d 的电流不能超过 5 0 m a 。 4 4 3 4 数字i o 卡控制程序 首先使用设备选择函数d r vs e l e c t d e v i c e ( ) 列出当前安装的数字i o 卡，然后使 用设备打开函数d r v _ d e v i c e o p e n 0 打开数字i o 卡，再使用字节输出函数 d r v _ w r i t e p o r t b y t e ( ) 输出数字量，最后使用设备关闭函数d r v d e v i c e c l o s e 关闭设 备。 ( 1 ) i o 卡的初始化：定义操作p c i 1 7 3 4 的函数。在安装p c i 卡的驱动后，安装的 驱动文件里面会有d r i v e r b a s 类模块，在v b 添加此文件后，就可以调用p c i 1 7 3 4 驱 动a d s a p l 3 2 d l l 中所有的函数。 ( 2 ) 设备选择：为了获得p c i 1 7 3 4 的地址和板卡号，使用函数 d r l s e l e c t d e v i c e ( h c a l l e r , g e t m o d u l e ，d e v i c e n u m ，d e s c r i p t i o n ) ，在显示窗口选择 p c i 1 7 3 4 即可。 ( 3 ) 设备打开：设备选择后并不能正常工作，需要函数d r v _ d e v i c e o p e n ( d e v i c e n u m ， d r i v e r h a n d l e ) 打开设备号为d e v i c e n u m 的设备，即p c i 1 7 3 4 。 ( 4 ) 数字量输出：控制某个端口的输出需要函数d r v _ w r i t e p o r t b y t e ( d r i v e r h a n d l e ， 2 4 华中科技大学硕士学位论文 w r i t e p o r t b y t e ) ，w r i t e p o r t b y t e 定义为： t y p e d e fs t r u c tw r i t e p o r t b y t e u s h o r tp o r t ； u s h o r t b y t e d a t a ； ) w r i t e p o r t b y t e ，f a r 木删m t e p o r t b y t e ； 根据要求在不同的端口输出需要的高电平或低电平信号，赋值输出端口地址和输 出的字节值，例如系统中材料按钮的控制信号产生需要w r i t e p o r t b y t e p o r t = 一2 0 4 8 0 ， w r i t e p o r t b y t e b y t e d a t a = 8 ，然后使用函数d r v _ w r i t e p o r t b y t e ( d r i v e r h a n d l e ， w r i t e p o r t b y t e ) 输出，在通道3 将有一个高电平输出，同理可以设置其他按钮的参数。 4 4 4 控制逻辑电路 控制逻辑电路主要功能是实现激励波形在正弦波、三角波、间歇三角波和梯形波 之间的切换，采样电容在l r r f , 1 0 n f , 0 1 u f , l u f 之间切换，测量频率范围在o 1 h z 一- 1 h z 、1 h z , - 一l o h z 、1 0 h z - - - 1 0 0 h z 、1 0 0 h z 、 1 k h z 、l k h z 一1 0 k h z 之间的切换；陶瓷薄 膜测试的切换以及补偿、锁定功能；同时实现测量频率和波形电压的连续增大或减小。 4 4 4 1 材料、补偿按钮 实现由d 触发器组成的反向器实现陶瓷、薄膜测试的切换和补偿状态与非补偿状 态的切换。为了控制输入信号的抖动和噪声影响，在按钮与控制输入端之间加上由 n e 5 5 5 p 定时器构成的单稳电路，具有成本低，电路简单，可防止抖动。电路图如图 4 1 0 所示： 图4 1 0 材料、补偿按钮实现电路图 华中科技大学硕士学位论文 4 4 4 2 波形、电容按钮和频率按钮实现 利用四位双向通用移位寄存器7 4 l s l 9 4 组成四进制计数器【4 ，其输出分别为 0 0 0 1 ，0 0 1 0 ，0 1 0 0 ，1 0 0 0 ，从而实现波形在正弦波、三角波、间歇三角波、梯形波之 间转换，同理可以实现电容在l n f , l o n f , 0 1 u f 、l u f 的转换。 7 4 l s l 9 4 是具有左移、右移、清零、数据并入、并出、串入、串出等多种功能双 向移位寄存器。逻辑功能状态表如表4 1 所示。 表4 17 4 l s l 9 4 逻辑功能表 c l rc p s is o功能 0 q 、q b 、q 。、q 。清零 1 f o0 保持 1 f01 右移s 。一q a q 。一q 。一q d l f 1o 左移s 。一q 一q 。一q 。一q d 1fl1 并入：q q 。q 。q 。= a b c d 控制原理为7 4 l s l 9 4 的时钟引脚c l k 接外部脉冲输入，在脉冲作用下，7 4 l s l 9 4 的并行输出q a q d 由1 0 0 0 - - 0 1 0 0 ，0 1 0 0 0 0 1 0 ，0 0 1 0 0 0 0 1 ，当0 0 0 1 状态出现后， q a q b q c = 0 0 0 ，则三输入或非门7 4 l s 2 7 输出为高，而此时s 1 s o = i o 为左移，则下一 状态为1 0 0 0 ，从而实现状态的循环转换。电路图如图4 1 l ( a ) 所示。同理将7 4 l s l 9 4 7 4 l $ 0 0 ( a ) ( b ) 图4 1 l 波形、电容按钮实现与频率按钮实现电路图 华中科技大学硕士学位论文 设计成五进制计数器实现频率转换功能，如图4 1 1 ( b ) 所示。机械开关的实现 最终实现替代开关通断或按钮切换需要用继电器实现，逻辑电路的高电平输出通 过驱动芯片变化为t t l 的低电平驱动继电器，实现继电器的吸合和断开，从而完成要 求的逻辑功能。根据实际的要求，在任一时刻正弦波、三角波、间歇三角波、梯形波 四种激励波形任两种不能共存，同理采样电容l n f , 1 0 n f , o 1 u f , l u f 任两种也不能共 存，因此继电器需要设计成互锁结构，电路图如图4 1 2 所示。 图4 1 2 机械开关的实现电路图 4 4 4 4 旋钮实现 x 9 c 1 0 3 是固态非易失性电位器【4 2 】，把它用作数字控制微调电阻器是理想的。 x 9 c 1 0 3 是一个包含有9 9 个电阻单元的电阻阵列，在每个单元之间和二个端点都有可 以被滑动单元访问的抽头点，滑动单元的位置由c s 、d u 和i n c 三个输入端控制， 滑动端的位置可以被储存在一个非易失性存储器中，因而在下一次上电工作时可以被 重新调用，滑动端位置数据可保存1 0 0 年。x 9 c 1 0 3 的分辨率等于最大的电阻值被9 9 除即1 0 1 f 2 ，工作电流最大3 m a ，等待电流最大5 0 0 a ，9 9 个电阻单元，具有温度补 偿功能，滑动端的位置取决于三线接口c s 、d u 和i n c ，类似于t t l 升降计数器。 原理图和引脚配置如图4 1 3 所示。 x 9 c 1 0 3 的高端v h 和低端v l 等效于机械电位器的固定端v h 和v l ，这两个术语 只是规定了滑动端的相对位置而滑动端的滑动方向由u d 输入脚选择。v w 是滑动端 等效于机械电位器的可移动端滑动端，在电阻阵列中的位置由控制输入脚决定滑动， 端电阻值通常为4 0 q 。升降输入脚0 _ r d ) 控制滑动端移动的方向以及控制计数器是 华中科技大学硕士学位论文 增加或是减少。增加输入脚i n c 是负边沿触发，触发i n c 将使滑动端向计数器增加 或减少的方向移动，移动的方向由u d 端输入的逻辑电平决定。当片选端c s 为低时 器件被选中，当c s 变为高且i n c 输入端也为高时，当前计数器的值被储存在非易 失性存储器中，当储存操作完成后x 9 c 10 3 将处于低功耗的等待方式直到器件再次被 选中。 t u 0 9 l n c ： = ； c s 一 o 9 7 = 二 ； o n e 9 6 1 ：之 o f j l ? o 哐 h u n o r e o t r g 町a n s 。f 。e 8i8 根e s i 附s t 0 8d e c o d e r 2 = 二x 善 1 壳： q o c o iic i b r , o l c i r ( i i t r yi o 瑚_ l n c u i d v h v s s 图4 1 3x 9 c 1 0 3 原理图与引脚图 v c c c s v l v w 使用数字电位器替代机械电位器，通过脉冲输入实现电阻的增大或减小，从而实 现旋钮的功能。由5 5 5 定时器组成脉冲发生器，控制信号连接到5 5 5 的清零端，当没 有控制信号时，清零端输入为低电平，没有脉冲输出，数字电位器电阻保持不变；当 清零端输入为高电平时，脉冲发生器输出负脉冲到数字电位器脉冲输入端，增大或减 小数字电位器电阻，实现旋钮的单步旋转。如果控制信号不消失，则输出连续的负脉 冲，数字电位器的电阻实现连续变化，从而实现旋钮连续旋转功能。同时利用数字电 位器滑动端存储的设置，当不满足c s 为高且i n c 也为高时，吸合继电器切断数字电 位器的电源，因为不满足滑动端保存要求，则滑动端会到零点，从而实现电压清零； 与此相反，当保存要求满足时，滑动端位置随时保存，从而实现频率大小实时保存。 电路图如图4 1 4 所示： 华中科技大学硕士学位论文 v c c v c c 图4 1 4 旋钮功能实现电路图 2 9 华中科技大学硕士学位论文 ：= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 5 1 概述 5 铁电材料测试系统的软件编程 本软件系统主要由接口通讯和界面两部分组成：接口通讯部分主要完成数字示波 器初始化操作和从示波器中读取波形数据等工作；界面部分是面向用户的程序部分， 为全中文界面，采用了窗口对话框等技术，支持鼠标操作，在界面上设置了若干命令 按钮，可以方便地测量，同时测量数据可直接在屏幕上以文本和图形方式显示，用户 界面十分友好。 5 2r s 一2 3 2 串口 系统使用9 针的接插件将串行口的信号送出。r s 2 3 2 4 3 1 插口定义如表5 1 所示： 表5 1r s 2 3 2 插口引脚定义表 d b 9信号名称 方向含义 3t x d 输出数据发送端 2r x d 输入数据接收端 7r t s 输出请求发送 8c t s输入清除发送 6d s r 输入数据设备准备就绪 5s g 信号地 1d c d 输入数据载波检测 4 d t r输出 数据终端准备就绪 9r i 输入响铃指示 以上信号在通讯过程中可能会被全部或部分使用，