胡錦超，趙祥模，王潤(rùn)民，楊　楠，徐　江

（長(zhǎng)安大學(xué)信息工程學(xué)院，西安　710064）

基于LabWindows/CVI的光電三極管虛擬測(cè)試儀設(shè)計(jì)

胡錦超，趙祥模，王潤(rùn)民，楊楠，徐江

（長(zhǎng)安大學(xué)信息工程學(xué)院，西安710064）

光電三極管具有伏安，光照，溫度，功率等多種特性，正確選擇使用某種型號(hào)的光電三極管之前需要熟悉其特性，因此需要一種便攜、廉價(jià)、易操作的測(cè)試儀對(duì)光電三極管的特性進(jìn)行測(cè)試，文章設(shè)計(jì)出基于Lab Windows/CVI設(shè)計(jì)了一種光電三極管虛擬測(cè)試儀，用高速采集卡和Lab Windows/CVI取代傳統(tǒng)的模擬電子電路測(cè)試儀器完成光電三極管特性的測(cè)量；在構(gòu)建虛擬儀器測(cè)試方案的基礎(chǔ)上，首先設(shè)計(jì)了一種信號(hào)放大電路用于光電三極管輸出信號(hào)的放大處理，然后提出了光電三極管特性測(cè)量方法，最后闡述了labWindows/CVI環(huán)境下的光電三極管測(cè)試數(shù)據(jù)處理過程；實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明：所設(shè)計(jì)的虛擬測(cè)試儀能夠準(zhǔn)確地對(duì)光電三極管的伏安特性和光照特性進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試結(jié)果形象化地顯示在儀器面板上，有效地避免因工作時(shí)參數(shù)過高對(duì)光電三極管造成的影響。

虛擬測(cè)試儀；特性測(cè)試；光電三極管；LabWindows/CVI

0　引言

光電三極管對(duì)光照敏感，也稱作光敏三極管，它在光的檢測(cè)、信息的接受、傳輸、隔離等方面有廣泛的應(yīng)用，是各行業(yè)自動(dòng)控制必不可少的器件。在使用光敏三極管之前，必須對(duì)其物理特性有精確的掌握，如伏安特性和光照特性等，才能正確地使用光敏三極管，達(dá)到高效利用的目的。

目前有多種方法可以完成對(duì)光電三極管物理特性的測(cè)量，例如文獻(xiàn)［1-2］采用傳統(tǒng)的萬(wàn)用表、模擬電子搭建的測(cè)試電路對(duì)光電三極管特性進(jìn)行測(cè)試，此種方法不僅測(cè)試的精度低，測(cè)量的模擬電路設(shè)計(jì)成本高、不穩(wěn)定，而且無法直觀地展示測(cè)量結(jié)果；文獻(xiàn)［3］基于AT89C52采集數(shù)據(jù)，采用VC++6.0中的MSComm控件編程設(shè)計(jì)出了一種光電探測(cè)系統(tǒng)一體化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，但其價(jià)格昂貴，上位機(jī)編程復(fù)雜，下位機(jī)數(shù)據(jù)采集速率有限，不具備靈活性和通用性。隨著虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，LabWindows/CVI作為一種以ANSI C為核心的交互式虛擬儀器開發(fā)環(huán)境，在無損檢測(cè)、電力儀表系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、流程控制系統(tǒng)、故障診斷等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，為光電三極管物理特性的測(cè)量提供了一種新的思路。

基于上述原因，本文利用Lab Windows/CVI和高速采集卡設(shè)計(jì)一種光電三極管的虛擬特性測(cè)試儀，用于測(cè)量光電三極管的伏安特性和光照特性。并對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的處理方法進(jìn)行了闡述。高速采集卡的使用不僅提高測(cè)量的精度，還大大減少了硬件的開發(fā)成本；另外利用Lab Windows/CVI開發(fā)出的虛擬測(cè)量?jī)x器具有占用空間小、功能可裁剪、開發(fā)周期短及通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

1　虛擬測(cè)試儀器方案設(shè)計(jì)

根據(jù)常見測(cè)試儀器的組成結(jié)構(gòu)及功能，同時(shí)考慮光電三極管的基本工作原理（如測(cè)試過程中光源的提供、光電三極管輸出的微弱光電流的檢測(cè)及處理），以及數(shù)據(jù)采集卡的總線協(xié)議和采集頻率、軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度、系統(tǒng)總體開發(fā)成本等因素，論文設(shè)計(jì)的基于LabWindows/CVI的光電三極管特性虛擬測(cè)試儀總體組成結(jié)構(gòu)如圖1所示，具體包括光源、信號(hào)處理電路、數(shù)據(jù)采集卡及CVI程序等部分。

光源能夠?yàn)楣怆娙龢O管提供恒定或者可調(diào)的光照度，從而根據(jù)其在不同的照度下輸出的光電流的性質(zhì)完成其物理特性的測(cè)量。信號(hào)處理電路主要包括光電三極管的偏置電路和輸出信號(hào)放大電路，分別完成光電三極管的驅(qū)動(dòng)和輸出光電流的放大。數(shù)據(jù)采集卡將光電三極管經(jīng)信號(hào)處理電路處理后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后傳送至PC機(jī)端的CVI程序進(jìn)行分析處理，論文采用NI公司設(shè)計(jì)的NI USB-6001數(shù)據(jù)采集卡，該采集卡具有8路模擬輸入和13條數(shù)字I/O輸出線，分辨率達(dá)14位，與LabWindow/CVI具有良好的兼容性。CVI程序作為虛擬測(cè)試儀器的核心，能夠?qū)Σ杉ㄝ敵龅墓怆娏鲾?shù)據(jù)進(jìn)行分離、濾波處理，進(jìn)而完成測(cè)試結(jié)果的存儲(chǔ)及顯示，最終實(shí)現(xiàn)光電三極管的特性測(cè)量功能。

圖1　系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)圖

2　輸出信號(hào)放大處理

光電三極管與普通三極管相同，都具有電流的放大作用，

但是光電三極管會(huì)受光照影響，其I-V特性［4］方程為：

IE=［IES（eVBE/VT-1）-ILE］-?R［ICS（eVBC/VT-1）-ILC］

Ic=?F［IES（eVBE/VT-1）-ILE］-［ICS（eVBC/VT-1）-ILC］IB=（1-?F）［IES（eVBE/VT-1）-ILE］+（1-?R）［ICS（eVBC/VT-1）-ILC］（1）

式中，IE、IC、IB分別表示光電三極管的發(fā)射極、集電極、基極的電流，?F、?R分別為正向和反向共基極直流短路電路放大系數(shù)，IES、ICS都為反向飽和電流，VBE、VBC分別為發(fā)射結(jié)和集電結(jié)電壓，VT為溫度的電壓當(dāng)量，ILE、ILC分別為發(fā)射結(jié)和集電結(jié)的光生短路電流。光敏三極管只有發(fā)射極和集電極兩個(gè)引腳，其基極電流是由光照產(chǎn)生的光電壓引發(fā)，即基極開路（IB=0），集電極和發(fā)射極電流為：ICEO=-

因此當(dāng)對(duì)光敏三極管的集電極加正向的偏置電壓時(shí)，輸出光電流為：IphCEO=（1+β）IphCBO（4）

光電三極管的輸出信號(hào)為微弱的光電流，在低照度下為微安級(jí)別，由上述分析可知：發(fā)射極電流僅僅為因光電導(dǎo)效應(yīng)產(chǎn)生的等效基極電流的1+β倍，放大倍數(shù)一般在100倍左右，仍然無法滿足測(cè)量顯示的要求。為了完成測(cè)量顯示，需要進(jìn)一步對(duì)光電三極管輸出信號(hào)進(jìn)行放大，因此論文設(shè)計(jì)了一種如圖2所示的輸出信號(hào)濾波放大電路。

在該放大電路中，前級(jí)放大倍數(shù)為-（R2/R1），中間的運(yùn)算放大器過濾高頻的噪聲，后級(jí)放大的倍數(shù)為-（R4/R3），放大電路總的放大倍數(shù)為（R2/R1）*（R4/R3）。根據(jù)測(cè)量精度和顯示精度的需求，選取合適的電阻比值即可實(shí)現(xiàn)測(cè)量和顯示。設(shè)計(jì)中選取前級(jí)放大10倍，后級(jí)放大100倍，即放大電路對(duì)輸出光電流放大1000倍，經(jīng)過圖2的信號(hào)放大之后，光電三

圖2　信號(hào)放大電路

極管的輸出光電流可由微安級(jí)達(dá)到毫安級(jí)，可以進(jìn)行采集并在圖表控件上正常顯示。

3　光電三極管特性測(cè)量方法

在測(cè)量光電三極管的特性之前，需要對(duì)虛擬測(cè)試儀中的光源進(jìn)行標(biāo)定，以確定要達(dá)到所需的光照度需要為光源施加的電壓。具體的標(biāo)定結(jié)果如表1所示。

表1　光源標(biāo)定結(jié)果

在利用論文設(shè)計(jì)的虛擬測(cè)試儀測(cè)量光電三極管的特性曲線時(shí)，需要在光電三極管的集電極和基極之間加正向的偏置電壓。當(dāng)測(cè)量其伏安特性曲線時(shí)，通過光源為光電三極管施加固定的光照度，然后調(diào)節(jié)光電三極管的偏置電壓，將光電三極管的偏置電壓和輸出光電流分別通過USB-6001數(shù)據(jù)采集卡的通道0和通道1送至PC機(jī)的CVI程序進(jìn)行分析處理，如圖3所示；當(dāng)測(cè)量其光照特性曲線時(shí)，給光電三極管施加固定的偏置電壓（本測(cè)試儀設(shè)定偏置電壓為5V），根據(jù)表1所標(biāo)定的結(jié)果來調(diào)節(jié)光照度，同時(shí)將光電三極管的輸出光電流通過USB-6001的通道3的數(shù)據(jù)采集卡送至PC機(jī)上的CVI程序進(jìn)行分析處理，如圖4所示。

圖3　伏安特性測(cè)量方法

圖4　光照特性測(cè)量方法

4　LabWindows/CVI程序

Lab Windows/CVI程序由兩部分構(gòu)成：一部分完成采集任務(wù)的初始化工作，即利用DAQ助手設(shè)置數(shù)據(jù)采集參數(shù)以及建立數(shù)據(jù)采集任務(wù)，并最終創(chuàng)建DAQTask InProject.h文件；另一部分作為虛擬測(cè)試儀的核心，完成測(cè)試數(shù)據(jù)的分析、處理及結(jié)果輸出等工作。

測(cè)試儀系統(tǒng)主程序主要實(shí)現(xiàn)對(duì)多通道采集［6-7］到的數(shù)據(jù)進(jìn)行定時(shí)采集、分離、濾波、放大及顯示。其中分離和顯示是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，因?yàn)閁SB-6001采集卡采集得到的三通道的數(shù)據(jù)按通道掃描的順序保存在同一塊內(nèi)存中，顯示伏安特性和光照特性需將內(nèi)存中的電流、電壓、以及光照所對(duì)應(yīng)的電壓數(shù)據(jù)分開。針對(duì)上述問題，程序設(shè)計(jì)中采用雙采樣函數(shù)加按鈕標(biāo)記的方法，即建立兩個(gè)采樣函數(shù)：

int CVICALLBACK sample（int panel，int control，int event void*callback Data，int event Data1，int event Data2）；//設(shè)置定時(shí)采樣函數(shù)，即為默認(rèn)的定時(shí)采樣函數(shù)。

int CVICA-LLBACK sample_1（int panel，int control，int event，void*callbackData，int eventData1，int eventData2）；//切換按鈕對(duì)應(yīng)的回調(diào)函數(shù)，即切換按鈕按下時(shí)運(yùn)行的定時(shí)采樣函數(shù)。

根據(jù)按鈕標(biāo)記分時(shí)采樣，將采集到的電流電壓數(shù)據(jù)從同一個(gè)數(shù)組中分開。用定時(shí)取點(diǎn)的方法將數(shù)據(jù)在圖表控件上顯示，即分開后的電壓電流數(shù)據(jù)定時(shí)存放在圖表控件的顯示函數(shù)中。系統(tǒng)主程序框圖如圖5所示。

圖5　主程序框圖

lab Windows/CVI為交互式的開發(fā)環(huán)境，程序開始時(shí)，利用面板句柄實(shí)現(xiàn)對(duì)面板的操作，顯示前面板；運(yùn)行用戶接口后等待采樣按鈕按下，直至按下才創(chuàng)建采樣任務(wù)，采集任務(wù)對(duì)多通道按通道掃描的方式進(jìn)行定時(shí)采集，設(shè)定一布爾量，實(shí)現(xiàn)在伏安特性和光照特性之間進(jìn)行切換，采集至滿足要求時(shí)清楚采樣任務(wù)。

5　測(cè)試結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的測(cè)試儀系統(tǒng)的有效性，本文選用硅光電三極管［8］作為測(cè)試對(duì)象，對(duì)其伏安特性和光照特性曲線進(jìn)行測(cè)量。伏安特性和光照特性的理論特性曲線、實(shí)際測(cè)量結(jié)果分別如圖6、7所示。

5.1伏安特性曲線分析

圖6　伏安特性理論及實(shí)測(cè)圖

圖7　光照特性理論及實(shí)測(cè)圖

由如圖6所示的理論伏安特性曲線可知其具有以下特點(diǎn)：首先，給硅光電三極管加很小的偏置電壓時(shí)，其輸出電流也非常小，幾乎接近于零；其次，在零偏壓時(shí)，硅光電三極管沒有光電流輸出。雖然硅光電三極管也能產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)，但因集電極無偏置電壓，集電極不能放大基極電流，微安級(jí)別的電流在毫安級(jí)別的坐標(biāo)軸上幾乎為零，很難表示出來。最后，硅光電三極管的工作電壓較低時(shí)，其輸出的光電流具有非線性，即三極管的輸出電流與三極管所受的偏置電壓相關(guān)，然而，硅光電三極管的非線性比普通三極管的非線性更加嚴(yán)重。論文設(shè)計(jì)的虛擬測(cè)試儀測(cè)量結(jié)果如圖6所示，實(shí)際測(cè)試結(jié)果與理論特性曲線的特點(diǎn)擬合性較好。但在2～3 V電壓范圍內(nèi)實(shí)測(cè)曲線與理論曲線仍然存在誤差，表現(xiàn)為曲線的波動(dòng)性，主要原因?yàn)楣怆娙龢O管偏置電壓不穩(wěn)定、光源部分遮光筒的密封性不好，導(dǎo)致光照強(qiáng)度不是理論的穩(wěn)定值。

5.2光照特性曲線分析

由如圖7所示的理論光照特性曲線可知其具有以下特點(diǎn)：首先，在光照度為零時(shí)，硅光電三極管也能輸出光電流，此電流即它的暗電流；其次，隨著光照度的加強(qiáng)，輸出光電流不斷增大，但是當(dāng)光照度增大到一定程度時(shí)，輸出光電流趨向飽和。本文設(shè)計(jì)的虛擬測(cè)試儀實(shí)際測(cè)量的結(jié)果與理論光照特性曲線的特點(diǎn)擬合性較好。但實(shí)際測(cè)量曲線僅反映出理論光照特性曲線的趨勢(shì)，主要原因?yàn)閳D表顯示控件顯示曲線是定時(shí)選取有限個(gè)采集點(diǎn)顯示在圖表控件上。若采集的時(shí)間延長(zhǎng)，定時(shí)選取采集點(diǎn)的時(shí)間縮短，實(shí)際測(cè)量曲線與理論曲線的一致性將會(huì)增強(qiáng)。

對(duì)比理論特性曲線和實(shí)際測(cè)量的特性曲線，實(shí)測(cè)曲線在誤差允許的范圍內(nèi)，能正確反映出光電三極管伏安特性曲線和光照特性曲線。

6　結(jié)語(yǔ)

本文不僅設(shè)計(jì)搭建了硬件測(cè)試電路，而且基于LabWindows/CVI環(huán)境設(shè)計(jì)開發(fā)了光電三極管特性測(cè)試儀，并用其對(duì)硅光電三極管的特性進(jìn)行了測(cè)試。從測(cè)試的結(jié)果看，本文設(shè)計(jì)的測(cè)試儀測(cè)得的光電三極管特性曲線與其理論特性曲線誤差較小，可以廣泛地應(yīng)用在各種使用光電三極管或者檢測(cè)光電三極管特性的場(chǎng)合。

［1］郭松野，王東興，汪廣羊，等.有機(jī)薄膜光敏三極管動(dòng)態(tài)特性及其應(yīng)用［J］.應(yīng)用科技，2010（2）：24-27.

［2］戴薇，唐世洪，溫明生.硅光電管光電轉(zhuǎn)換特性的測(cè)量分析及應(yīng)用［J］.吉首大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1989（2）：37-43.

［3］曲洪豐.光電探測(cè)器特性一體化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2006.

［4］石仲斌.光敏三極管光電特性 ［J］.半導(dǎo)體光電，1998（4）：67 71.

［5］Wang C C.Elan Microel ectronics Corporation；Patent Issued for Method and Circuit for Trimming an Internal Oscillator of a USB Device［J］.Journal of Engineering（Apr 2，2014）：944.

［6］王建新，隋美麗.Lab Windows/CVI虛擬儀器測(cè)試技術(shù)及工程應(yīng)用 ［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

［7］Zhao W J.Study on the Auto Air Conditioning Controller Testing System Based on Lab Windows/CVI［J］.Modern Applied Science 4.10（Oct 2010）：85-90.

［8］蘇學(xué)能，白懿鵬.光電轉(zhuǎn)換元件的特性研究［J］.電子技術(shù)與軟件工程，2013，15：95-97.

Design of Photoelectric Triode Tester Based on LabWindows/CVI

Hu Jinchao，Zhao Xiangmo，Wang Runming，Yang Nan，Xu Jiang
（College of Information Engineering，Chang'an Universitity，Xi'an710064，China）

Phototransistor has characteristics of voltammetry，light，temperature and power.Users should be familiar with its properties before using some type of phototransistor.So we need a tester which is portable，inexpensive，easy to operate.Based on Lab Windows/C-VI，which is designed of the feature on the photoelectric triode tester，It replaces the traditional analog electr onic circuit testing instrument with high-speed acquisition card and Lab Windows/CVI，on the basis of designing a virtual instrument testing scheme，a signal amplifying circuit is designed for processing the output signal，and then，it puts forward the methods for measuring photoel ectric triode properties.finally，it expounds the data processing of photoelectric triode tester in lab Windows/CVI.It can accurately measure the volt-ampere characteristic curve and the illu mination of photoelectric characteristic curve.And the results is visually displayed on the instr ument panel.It can effectively avoid the bad influence of big parameters.

characteristic test；photoelectric triode；Lab Windows/CVI；data acquisition

1671-4598（2016）05-0287-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.05.079

TP3

A

2015-10-19；

2015-12-07。

胡錦超（1992-），男，碩士研究生，主要從事分布式測(cè)控技術(shù)方向的研究。

趙祥模（1966-），男，教授，博士生導(dǎo)師，長(zhǎng)安大學(xué)交通信息工程及控制國(guó)家級(jí)重點(diǎn)學(xué)科帶頭人，國(guó)務(wù)院交通運(yùn)輸工程學(xué)科評(píng)議組成員，主要從事智能交通測(cè)控技術(shù)方向的研究。