基于elvis光电池照度计设计学士论文(编辑修改稿)

基于elvis光电池照度计设计学士论文(编辑修改稿)内容摘要：

、特点、发展和与常规仪器的比较。 通过本章可以很好的了解虚拟仪器 和照度计，也了解了 LabVIEW 和常见的虚拟仪器设计步骤。 北方民族大学学士学位论文 基于 ELVIS 光电池照度计设计 第 页 9 第 2 章 光电池 光电池简介 光电池是一种不需要加偏压就能把光能直接转换成电能的 PN结光电器件， 按光电池的用途可分为两大类：太阳能光电池和测量光电池。 [5] 太阳能光电池主要用于做向负载提供电源，对它的主要要求是转换效率高、成本低，由于它具有体积小、重量轻、可靠性高、寿命长等特点，因而不仅成为航天工业上的重要电源，还被广泛用于供电 困难的场所和人们的日常便携电器中。 测量光电池的主要功能是作为光电探测用，即在不加偏置的情况下将光信号转变成电信号，对它的要求是线性范围宽、灵敏度高、光谱响应合适、稳定性好、寿命长，它被广泛应用于在光度、色度、光学精密计量和测试设备中。 光电池的基本结构就是一个 pn 结，由于制作 pn 结的材料不同，目前有硒光电池、硅光电池、砷化镓 光电池和锗光电池四大类，本章主要介绍测量光电池的硅光电池 [7][8]。 硅光电池的基本结构 硅光电池按照基底材料不同分为 2DR 型和 2CR 型，图 21 为 2DR 型硅光电池的结 构，它是以 P 型硅作基底（在本征型材料中掺入三价元素硼、镓等），然后在基底上扩散磷而形成 n 型并作为受光面。 2CR 型光电池则是以 n型硅作基底（在本征型硅材料中掺入五价元素磷、砷等），然后在基底上扩散磷而形成 p 型并作为受光面。 构成 pn 结后，再经过各种工艺处理，分别在基底和光敏面上制作输出电极，涂上二氧化硅作保护膜，即成光电池。 北方民族大学学士学位论文 基于 ELVIS 光电池照度计设计 第 页 10 图 21 硅光电池的结构 硅光电池的工作原理 硅光电池的工作原理与光照 pn 结开路状态时的物理过程相同，它的主要功能是在不加偏置的情况下能将光信号转变成电信号。 硅 光电池的工作原理示意图如下图所示。 图 22 光电池的工作原理示意图 硅光电池的特性参数 光照特性 [8] 光电池的光照特性主要有伏安特性、照度 —— 电流电压特性和照度 —— 负载特性。 硅光电池的伏安特性，表示输出电流和电压随负载电阻变化的曲线。 伏安特性曲线是在某一光照度下（或光通量），取不同的负载电阻值 所测得的输出电流和电压画成的曲线。 它的光照特性如图 23： 北方民族大学学士学位论文 基于 ELVIS 光电池照度计设计 第 页 11 图 23 硅光电池伏安特性曲线 光电池的短路光电流 SCI 与入射光照度成正比，而开路电压 OCU 与光照度的对数成正比，如图 24 所示。 图 24 硅光电池的 ocU 、 scI 与照度的关系 光谱特性 [8] 一般硅光电池的光谱响应特性表示在入射光能量保持一定的条件下，光电池所产生的短路电流与入射光波长之间的关系。 一般用相对响应表示，器件的长波限取决于材料的 禁带宽度 gE ，短波则受材料表面反射损失的限制，其峰值不仅与材料有关，而且随制造工艺及使用环境不同而有所不同。 频率特性 [9] 对于结型光电器件，由于载流子在 pn 结区内的扩散、飘移、产生与复合都要有一定的时间，所以当光照变化很快时，光电流就滞后于光照变化。 对于矩形 脉冲光照，可以用光电流上升时间 rt 和下降时间 ft 来表征光电流滞后于光照的程度，国内生产的几种 2CR 型硅光电池时间响应见表21。 由表中看出：①要得到短的响应时间，必 须选用小的负载电阻 RL；北方民族大学学士学位论文 基于 ELVIS 光电池照度计设计 第 页 12 ②光电池的面积越大则响应 时间越大，因为光电池面积越大则结电容越大，在给负载时，时间常数 jL CR 就越大，故要求短的响应时间，必须选用小面积光电池。 表 21 国内生产的几种 2CR 型硅光电池时间响应 型号 面积 /mm 负载 LR =100Ω 负载 LR =500Ω 负载 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 负载越大时频率特 性变差，减小负载可以减小时间常数τ、提高频响。 但是负载电阻 LR 的减小会使输出电压降低，实际使用时视具体要求而定。 总体来说，由于硅光电池光敏面大，结电容大，频响较低。 为了提高频响，光电池可在光电导模式下使用。 温度特性 [9] 光电池的温度特性曲线主要指光照光电池时开路电压与短路电流随温度变化的情况，在室温（ 25～ 30度）下，开路电压具有负温度系数，即随温度的升高开路电压值反而减小，短路电流具有正温度系数，即随着温度的升高，短路电流值增大。 当光电池受强光照射时，可能会因为晶格受到破坏而导致器件损坏，因而光电池作为探测器使用时，为保证测量精度应考虑温度变化对它的影响。 本章小结 本章主要介绍了光电池的结构、分类、工作原理以及它的一些光电特性。 通过它的光电特性可以很好的利用它的特性来设计照度计。 北方民族大学学士学位论文 基于 ELVIS 光电池照度计设计 第 页 13 第 3 章 数据采集 数据采集就是将被测对象（外部世界、现场）的各种参量（可以是物理量，也可以是化学量、生物量等）通过各种传感元件做适当转换后，再经信号调理、 采样 、 量化 、 编码 、 传输等步骤，最后送到计算机进行数据处理或存储记录的过程。 用于数据采集的成套设备称为数据采集系统，它是虚拟仪器与外部世界联系的桥梁，是获取信息的重要途径。 数据采集系统 的基本组成 数据采集系统框图如图 21 所示，它的输入信号分为模拟信号和数字信号两类。 模拟信号由模拟类的传感器输出的信号经调理后等到，数字信号则由数字类传感器输出的数字信号或开关信号得到 [10]。 图 31 数据采集系统框图 传感器的作用是把非电量转变为电量（如电压、电流或频率），通常把传感器输出到 A/D 转换器输出的这一段信号通道称为模拟信号。 放大器用来放大和缓冲输入信号。 由于传感 器输出的信号较小，因此需要加以放大，以满足大多数 A/D 转换器的满量程输入的要求。 此外，某些传感器内阻比较大，输出功率较小，这样放大器还起到了阻抗变换器的北方民族大学学士学位论文 基于 ELVIS 光电池照度计设计 第 页 14 作用来缓冲输入信号。 由于各类传感器输出信号的情况各不相同，所以放大器的种类也很复杂。 本设计主要才用的是集成反向放大器，电路图如下： 图 32 放大电路 传感器和电路中的器件常会产生噪声，人为的发射源也可以通过各种耦合渠道使信号通道感染上噪声，例如，工频信号可以成为一种人为的干扰源。 这种噪声可以用滤波器来衰减，以提高模拟输入信号的信噪比。 本设计采用的是一 阶有源低通滤波器 [8]。 如图 33： 图 33 一阶有源低通滤波器 在数据采集系统中，往往对多个物理量进行采集，即所谓多路巡回检测，这可通过多路模拟开关来实现。 多路模拟开关之后是模拟通道的转换部分，它包括采样 /保持和 A/D转换电路。 采样 /保持电路的作用是快速拾取多路模拟开关输出的子样脉冲，并保持幅值恒定，以提高 A/D 转换器的精度，如果把采样 /保持电路多路模拟开关之前（每道一个），还可以实现对瞬时信号进行同步采样。 采样 /保持器输出的信号送至模数转换器，模数转换器是模拟输入通道的关键电路。 由于输入信号变 化速度不同，系统对分辨力、精度、转换速率及成本的要求也不同，所以 A/D 转换器种类也较多，早期的采样 /保持器和模数转换器需要数据采集系统设计人员自行设计，目前普遍采用单片集成电路，有的单片 A/D 转换器内还包含有采样 /保持电路、基准电源和接口电路 ，这为系统设计提供了较大方便。 北方民族大学学士学位论文 基于 ELVIS 光电池照度计设计 第 页 15 数据采集系统的主要性能指标 数据采集系统的性能指标和具体应用目的与应用环境密切相关，以下给出的是主要和常用的几个指标的含义 [8]。 （ 1） 系统分辨率 是指数据采集系统可以分辨的输入信号最小变化量。 通常用最低有效位（ LSB） 占系统满度信号的百分比表示，或用系统可分辨的实际电压数值来表示，有时也用满度信号可以分的级数来表示。 （ 2） 系统精度 是指系统工作在额定采集速率下，每个离散子样的转换精度。 模数转换器的精度是指系统精度的极限值。 实际的情况是，系统精度达不到模数转换器的精度，这是因为系统精度取决于系统的各个环节（部件）的精度。 这里还应注意系统精度与系统分辨率的区别，系统精度是系统的实际输出值与理论输出值之差，它是系统各项误差的总和，通常表示为满度值的百分数。 （ 3）采集速率 又称为系统通过速率、吞吐率 等，是指在满足系统精度指标的前提下，系统对输入模拟信号在单位时间内所完成的采集次数，或者说是系统每个通道。 每秒钟可采集的子样数目，这里所说的“采集”包括对被测物理量进行采样、量化、编码、传输、存储等的全部过程。 在时间域上，与采集速率对应的指标是采样周期，它是采样速率的倒数，它表示了系统每采集一个有效数据所需的时间。 （ 4）动态范围 是指每个物理量的变化范围。 信号的动态范围是指信号的最大幅值和最小幅值之比的分贝数，数据采集系统的动态范围通常定义为所允许输入的最大幅值 maxiV 与最小幅值 miniV 之比的分贝数。 （ 5）非线性失真 也称谐波失真，即当给系统输入一个频率为 f 的正弦波时，其输出北方民族大学学士学位论文 基于 ELVIS 光电池照度计设计 第 页 16 中出现很多频率 kf（ k 为正整数）的新的频率分量的现象，称为非线性失真。 谐波失真系数用来衡量系统产生非线性失真的程度。 数据采集原理 将连续的模拟信号转换成计算机可以接受的离散数字信号，需要两个环节：首先是采样，由连续模拟信号得到离散信号；然后再通过 A/D转换，变为数字信号。 采样定理 香农采样定理：对一个有限频谱（ m a xm a x   ）的连续信号，当采样频率 max2 s 时，采样函数才能不失真地恢复到原来的连续信号。 采样定理为设计数据采集系统时确定采样频率奠定了理论基础，采样定理所规定的最低的采样频率，是数据采集系统必须遵守的规则。 在实际应用时，由于： 1） 信号 f（ t） 的最高频率难以确定，特别是当 f（ t）中有噪声时，则更为困难。 2）采样理论要求在取得全部采样值后才能求得被采样函数，而实际上在某一采样时刻，计算机只取得本次采样值和以前各次采样值，而必须在以后的采样 值尚未取得的情况下进行计算分析。 因此，实际的采样频率取值高于理论值，一般为信号最高频率的 5～10 倍。 NI ELVIS 原型设计面板 美国国家仪器公司的教学实验室虚拟仪器套件 (NI ELVIS)可用于动手设计及原型设计，平台集成了 12 款最常用仪器，包括示波器、数字万用表、函数发生器、波特分析仪等，紧凑的结构是实验室及课堂教学的理想选择。 NI ELVIS可通过 USB 接口与 PC 连接，实现快速易用的测量采集及显示。 作为基于 NI LabVIEW 图形化系统设计软件， NI ELVIS 能够发挥虚拟仪器技术 的灵活性及自北方民族大学学士学位论文 基于 ELVIS 光电池照度计设计 第 页 17 定义功能。 同时， NI ELVIS也是 NI电子教育平台中的重要部分，结合 NI Multisim采集及仿真环境实现 NI ELVIS 板载电路的测量及仿真。 NI ELVIS 的设计以教学为目标，是一款全面的教学工具，用于电路设计、仪器控制、无线通信、嵌入式 /MCU 理论等教学。 图 34 NI ELVIS 平台 NI ELVIS 的特点 性价比高 NI ELVIS 在单一平台上提供 12 款常用桌面仪器，避免在同一应用中购买多台。