【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 、特點(diǎn)、發(fā)展和與常規(guī)儀器的比較。通過(guò)本章可以很好的了解虛擬儀器 和照度計(jì)，也了解了 LabVIEW 和常見(jiàn)的虛擬儀器設(shè)計(jì)步驟。 北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 ELVIS 光電池照度計(jì)設(shè)計(jì) 第 頁(yè) 9 第 2 章 光電池 光電池簡(jiǎn)介 光電池是一種不需要加偏壓就能把光能直接轉(zhuǎn)換成電能的 PN結(jié)光電器件， 按光電池的用途可分為兩大類：太陽(yáng)能光電池和測(cè)量光電池。 [5] 太陽(yáng)能光電池主要用于做向負(fù)載提供電源，對(duì)它的主要要求是轉(zhuǎn)換效率高、成本低，由于它具有體積小、重量輕、可靠性高、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，因而不僅成為航天工業(yè)上的重要電源，還被廣泛用于供電 困難的場(chǎng)所和人們的日常便攜電器中。 測(cè)量光電池的主要功能是作為光電探測(cè)用，即在不加偏置的情況下將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，對(duì)它的要求是線性范圍寬、靈敏度高、光譜響應(yīng)合適、穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)，它被廣泛應(yīng)用于在光度、色度、光學(xué)精密計(jì)量和測(cè)試設(shè)備中。 光電池的基本結(jié)構(gòu)就是一個(gè) pn 結(jié)，由于制作 pn 結(jié)的材料不同，目前有硒光電池、硅光電池、砷化鎵 光電池和鍺光電池四大類，本章主要介紹測(cè)量光電池的硅光電池 [7][8]。 硅光電池的基本結(jié)構(gòu) 硅光電池按照基底材料不同分為 2DR 型和 2CR 型，圖 21 為 2DR 型硅光電池的結(jié) 構(gòu)，它是以 P 型硅作基底（在本征型材料中摻入三價(jià)元素硼、鎵等），然后在基底上擴(kuò)散磷而形成 n 型并作為受光面。 2CR 型光電池則是以 n型硅作基底（在本征型硅材料中摻入五價(jià)元素磷、砷等），然后在基底上擴(kuò)散磷而形成 p 型并作為受光面。構(gòu)成 pn 結(jié)后，再經(jīng)過(guò)各種工藝處理，分別在基底和光敏面上制作輸出電極，涂上二氧化硅作保護(hù)膜，即成光電池。 北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 ELVIS 光電池照度計(jì)設(shè)計(jì) 第 頁(yè) 10 圖 21 硅光電池的結(jié)構(gòu) 硅光電池的工作原理 硅光電池的工作原理與光照 pn 結(jié)開(kāi)路狀態(tài)時(shí)的物理過(guò)程相同，它的主要功能是在不加偏置的情況下能將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。硅 光電池的工作原理示意圖如下圖所示。 圖 22 光電池的工作原理示意圖 硅光電池的特性參數(shù) 光照特性 [8] 光電池的光照特性主要有伏安特性、照度 —— 電流電壓特性和照度 —— 負(fù)載特性。 硅光電池的伏安特性，表示輸出電流和電壓隨負(fù)載電阻變化的曲線。伏安特性曲線是在某一光照度下（或光通量），取不同的負(fù)載電阻值 所測(cè)得的輸出電流和電壓畫(huà)成的曲線。 它的光照特性如圖 23： 北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 ELVIS 光電池照度計(jì)設(shè)計(jì) 第 頁(yè) 11 圖 23 硅光電池伏安特性曲線 光電池的短路光電流 SCI 與入射光照度成正比，而開(kāi)路電壓 OCU 與光照度的對(duì)數(shù)成正比，如圖 24 所示。 圖 24 硅光電池的 ocU 、 scI 與照度的關(guān)系 光譜特性 [8] 一般硅光電池的光譜響應(yīng)特性表示在入射光能量保持一定的條件下，光電池所產(chǎn)生的短路電流與入射光波長(zhǎng)之間的關(guān)系。一般用相對(duì)響應(yīng)表示，器件的長(zhǎng)波限取決于材料的 禁帶寬度 gE ，短波則受材料表面反射損失的限制，其峰值不僅與材料有關(guān)，而且隨制造工藝及使用環(huán)境不同而有所不同。 頻率特性 [9] 對(duì)于結(jié)型光電器件，由于載流子在 pn 結(jié)區(qū)內(nèi)的擴(kuò)散、飄移、產(chǎn)生與復(fù)合都要有一定的時(shí)間，所以當(dāng)光照變化很快時(shí)，光電流就滯后于光照變化。對(duì)于矩形 脈沖光照，可以用光電流上升時(shí)間 rt 和下降時(shí)間 ft 來(lái)表征光電流滯后于光照的程度，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的幾種 2CR 型硅光電池時(shí)間響應(yīng)見(jiàn)表21。 由表中看出：①要得到短的響應(yīng)時(shí)間，必 須選用小的負(fù)載電阻 RL；北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 ELVIS 光電池照度計(jì)設(shè)計(jì) 第 頁(yè) 12 ②光電池的面積越大則響應(yīng) 時(shí)間越大，因?yàn)楣怆姵孛娣e越大則結(jié)電容越大，在給負(fù)載時(shí)，時(shí)間常數(shù) jL CR??? 就越大，故要求短的響應(yīng)時(shí)間，必須選用小面積光電池。 表 21 國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的幾種 2CR 型硅光電池時(shí)間響應(yīng) 型號(hào) 面積 /mm 負(fù)載 LR =100Ω 負(fù)載 LR =500Ω 負(fù)載 LR =1000Ω rT /us fT /us rT /us fT /us rT /us fT /us 2CR21 5*5 15 15 20 20 25 25 2CR41 10*10 15 17 35 40 60 70 2CR41 10*20 30 40 60 80 150 150 負(fù)載越大時(shí)頻率特 性變差，減小負(fù)載可以減小時(shí)間常數(shù)τ、提高頻響。但是負(fù)載電阻 LR 的減小會(huì)使輸出電壓降低，實(shí)際使用時(shí)視具體要求而定。 總體來(lái)說(shuō)，由于硅光電池光敏面大，結(jié)電容大，頻響較低。為了提高頻響，光電池可在光電導(dǎo)模式下使用。 溫度特性 [9] 光電池的溫度特性曲線主要指光照光電池時(shí)開(kāi)路電壓與短路電流隨溫度變化的情況，在室溫（ 25～ 30度）下，開(kāi)路電壓具有負(fù)溫度系數(shù)，即隨溫度的升高開(kāi)路電壓值反而減小，短路電流具有正溫度系數(shù)，即隨著溫度的升高，短路電流值增大。 當(dāng)光電池受強(qiáng)光照射時(shí)，可能會(huì)因?yàn)榫Ц袷艿狡茐亩鴮?dǎo)致器件損壞，因而光電池作為探測(cè)器使用時(shí)，為保證測(cè)量精度應(yīng)考慮溫度變化對(duì)它的影響。 本章小結(jié) 本章主要介紹了光電池的結(jié)構(gòu)、分類、工作原理以及它的一些光電特性。通過(guò)它的光電特性可以很好的利用它的特性來(lái)設(shè)計(jì)照度計(jì)。 北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 ELVIS 光電池照度計(jì)設(shè)計(jì) 第 頁(yè) 13 第 3 章 數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)采集就是將被測(cè)對(duì)象（外部世界、現(xiàn)場(chǎng)）的各種參量（可以是物理量，也可以是化學(xué)量、生物量等）通過(guò)各種傳感元件做適當(dāng)轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)信號(hào)調(diào)理、 采樣 、 量化 、 編碼 、 傳輸?shù)炔襟E，最后送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理或存儲(chǔ)記錄的過(guò)程。 用于數(shù)據(jù)采集的成套設(shè)備稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它是虛擬儀器與外部世界聯(lián)系的橋梁，是獲取信息的重要途徑。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 的基本組成 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖如圖 21 所示，它的輸入信號(hào)分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)兩類。模擬信號(hào)由模擬類的傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)調(diào)理后等到，數(shù)字信號(hào)則由數(shù)字類傳感器輸出的數(shù)字信號(hào)或開(kāi)關(guān)信號(hào)得到 [10]。 圖 31 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖 傳感器的作用是把非電量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏浚ㄈ珉妷?、電流或頻率），通常把傳感器輸出到 A/D 轉(zhuǎn)換器輸出的這一段信號(hào)通道稱為模擬信號(hào)。 放大器用來(lái)放大和緩沖輸入信號(hào)。由于傳感 器輸出的信號(hào)較小，因此需要加以放大，以滿足大多數(shù) A/D 轉(zhuǎn)換器的滿量程輸入的要求。此外，某些傳感器內(nèi)阻比較大，輸出功率較小，這樣放大器還起到了阻抗變換器的北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 ELVIS 光電池照度計(jì)設(shè)計(jì) 第 頁(yè) 14 作用來(lái)緩沖輸入信號(hào)。由于各類傳感器輸出信號(hào)的情況各不相同，所以放大器的種類也很復(fù)雜。 本設(shè)計(jì)主要才用的是集成反向放大器，電路圖如下： 圖 32 放大電路 傳感器和電路中的器件常會(huì)產(chǎn)生噪聲，人為的發(fā)射源也可以通過(guò)各種耦合渠道使信號(hào)通道感染上噪聲，例如，工頻信號(hào)可以成為一種人為的干擾源。這種噪聲可以用濾波器來(lái)衰減，以提高模擬輸入信號(hào)的信噪比。 本設(shè)計(jì)采用的是一 階有源低通濾波器 [8]。如圖 33： 圖 33 一階有源低通濾波器 在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，往往對(duì)多個(gè)物理量進(jìn)行采集，即所謂多路巡回檢測(cè)，這可通過(guò)多路模擬開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 多路模擬開(kāi)關(guān)之后是模擬通道的轉(zhuǎn)換部分，它包括采樣 /保持和 A/D轉(zhuǎn)換電路。采樣 /保持電路的作用是快速拾取多路模擬開(kāi)關(guān)輸出的子樣脈沖，并保持幅值恒定，以提高 A/D 轉(zhuǎn)換器的精度，如果把采樣 /保持電路多路模擬開(kāi)關(guān)之前（每道一個(gè)），還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)瞬時(shí)信號(hào)進(jìn)行同步采樣。 采樣 /保持器輸出的信號(hào)送至模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器是模擬輸入通道的關(guān)鍵電路。由于輸入信號(hào)變 化速度不同，系統(tǒng)對(duì)分辨力、精度、轉(zhuǎn)換速率及成本的要求也不同，所以 A/D 轉(zhuǎn)換器種類也較多，早期的采樣 /保持器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器需要數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員自行設(shè)計(jì)，目前普遍采用單片集成電路，有的單片 A/D 轉(zhuǎn)換器內(nèi)還包含有采樣 /保持電路、基準(zhǔn)電源和接口電路 ，這為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了較大方便。 北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 ELVIS 光電池照度計(jì)設(shè)計(jì) 第 頁(yè) 15 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要性能指標(biāo) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能指標(biāo)和具體應(yīng)用目的與應(yīng)用環(huán)境密切相關(guān)，以下給出的是主要和常用的幾個(gè)指標(biāo)的含義 [8]。 （ 1） 系統(tǒng)分辨率 是指數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以分辨的輸入信號(hào)最小變化量。通常用最低有效位（ LSB） 占系統(tǒng)滿度信號(hào)的百分比表示，或用系統(tǒng)可分辨的實(shí)際電壓數(shù)值來(lái)表示，有時(shí)也用滿度信號(hào)可以分的級(jí)數(shù)來(lái)表示。 （ 2） 系統(tǒng)精度 是指系統(tǒng)工作在額定采集速率下，每個(gè)離散子樣的轉(zhuǎn)換精度。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度是指系統(tǒng)精度的極限值。實(shí)際的情況是，系統(tǒng)精度達(dá)不到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度，這是因?yàn)橄到y(tǒng)精度取決于系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)（部件）的精度。這里還應(yīng)注意系統(tǒng)精度與系統(tǒng)分辨率的區(qū)別，系統(tǒng)精度是系統(tǒng)的實(shí)際輸出值與理論輸出值之差，它是系統(tǒng)各項(xiàng)誤差的總和，通常表示為滿度值的百分?jǐn)?shù)。 （ 3）采集速率 又稱為系統(tǒng)通過(guò)速率、吞吐率 等，是指在滿足系統(tǒng)精度指標(biāo)的前提下，系統(tǒng)對(duì)輸入模擬信號(hào)在單位時(shí)間內(nèi)所完成的采集次數(shù)，或者說(shuō)是系統(tǒng)每個(gè)通道。每秒鐘可采集的子樣數(shù)目，這里所說(shuō)的“采集”包括對(duì)被測(cè)物理量進(jìn)行采樣、量化、編碼、傳輸、存儲(chǔ)等的全部過(guò)程。在時(shí)間域上，與采集速率對(duì)應(yīng)的指標(biāo)是采樣周期，它是采樣速率的倒數(shù)，它表示了系統(tǒng)每采集一個(gè)有效數(shù)據(jù)所需的時(shí)間。 （ 4）動(dòng)態(tài)范圍 是指每個(gè)物理量的變化范圍。 信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍是指信號(hào)的最大幅值和最小幅值之比的分貝數(shù)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍通常定義為所允許輸入的最大幅值 maxiV 與最小幅值 miniV 之比的分貝數(shù)。 （ 5）非線性失真 也稱諧波失真，即當(dāng)給系統(tǒng)輸入一個(gè)頻率為 f 的正弦波時(shí)，其輸出北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 ELVIS 光電池照度計(jì)設(shè)計(jì) 第 頁(yè) 16 中出現(xiàn)很多頻率 kf（ k 為正整數(shù)）的新的頻率分量的現(xiàn)象，稱為非線性失真。諧波失真系數(shù)用來(lái)衡量系統(tǒng)產(chǎn)生非線性失真的程度。 數(shù)據(jù)采集原理 將連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以接受的離散數(shù)字信號(hào)，需要兩個(gè)環(huán)節(jié)：首先是采樣，由連續(xù)模擬信號(hào)得到離散信號(hào)；然后再通過(guò) A/D轉(zhuǎn)換，變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。 采樣定理 香農(nóng)采樣定理：對(duì)一個(gè)有限頻譜（ m a xm a x ??? ??? ）的連續(xù)信號(hào)，當(dāng)采樣頻率 max2?? ?s 時(shí)，采樣函數(shù)才能不失真地恢復(fù)到原來(lái)的連續(xù)信號(hào)。 采樣定理為設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)確定采樣頻率奠定了理論基礎(chǔ)，采樣定理所規(guī)定的最低的采樣頻率，是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須遵守的規(guī)則。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，由于： 1） 信號(hào) f（ t） 的最高頻率難以確定，特別是當(dāng) f（ t）中有噪聲時(shí)，則更為困難。 2）采樣理論要求在取得全部采樣值后才能求得被采樣函數(shù)，而實(shí)際上在某一采樣時(shí)刻，計(jì)算機(jī)只取得本次采樣值和以前各次采樣值，而必須在以后的采樣 值尚未取得的情況下進(jìn)行計(jì)算分析。 因此，實(shí)際的采樣頻率取值高于理論值，一般為信號(hào)最高頻率的 5～10 倍。 NI ELVIS 原型設(shè)計(jì)面板 美國(guó)國(guó)家儀器公司的教學(xué)實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器套件 (NI ELVIS)可用于動(dòng)手設(shè)計(jì)及原型設(shè)計(jì)，平臺(tái)集成了 12 款最常用儀器，包括示波器、數(shù)字萬(wàn)用表、函數(shù)發(fā)生器、波特分析儀等，緊湊的結(jié)構(gòu)是實(shí)驗(yàn)室及課堂教學(xué)的理想選擇。 NI ELVIS可通過(guò) USB 接口與 PC 連接，實(shí)現(xiàn)快速易用的測(cè)量采集及顯示。作為基于 NI LabVIEW 圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件， NI ELVIS 能夠發(fā)揮虛擬儀器技術(shù) 的靈活性及自北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 ELVIS 光電池照度計(jì)設(shè)計(jì) 第 頁(yè) 17 定義功能。同時(shí)， NI ELVIS也是 NI電子教育平臺(tái)中的重要部分，結(jié)合 NI Multisim采集及仿真環(huán)境實(shí)現(xiàn) NI ELVIS 板載電路的測(cè)量及仿真。 NI ELVIS 的設(shè)計(jì)以教學(xué)為目標(biāo)，是一款全面的教學(xué)工具，用于電路設(shè)計(jì)、儀器控制、無(wú)線通信、嵌入式 /MCU 理論等教學(xué) 。 圖 34 NI ELVIS 平臺(tái) NI ELVIS 的特點(diǎn) 性價(jià)比高 NI ELVIS 在單一平臺(tái)上提供 12 款常用桌面儀器，避免在同一應(yīng)用中購(gòu)買多臺(tái)