Автоматизированный комплекс на базе микрочипа ADuC812 для измерения электрических параметров полупроводников

УДК 53.087.4

С.В. Беляев, В.Н. Давыдов, А.Ю. Масюков, А.Л. Кохлов

Автоматизированный комплекс

на базе микрочипа ADuC812 для измерения

электрических параметров полупроводников

Сообщается о разработке измерительно-вычислительного комплекса, сочетающего высокую точность измерения, гибкость управления с широкими функциональными возможностями, низким энергопотреблением. Применение комплекса в экспериментальных исследованиях электрических свойств полупроводниковых приборов подтвердило его высокие эксплуатационные параметры.

Глобальная компьютеризация, захватившая Россию в последнее десятилетие, слабо коснулась сферы автоматизации научных исследований, управления экспериментальными комплексами в российских НИИ и вузах, хотя этот подход к совершенствованию измерительных систем позволяет качественно повысить точность и скорость измерений, уменьшить количество необходимых контрольно-измерительных приборов, расширить функциональные возможности систем. Выпускаемые отечественной промышленностью контрольно-измерительные приборы не удовлетворяют современным требованиям автоматизации их работы, а зачастую и требованиям, накладываемым на их эксплуатационно-технические параметры. Зарубежные аппаратные средства автоматизации имеют высокую стоимость, неремонтно-пригодны и, как правило, направлены на автоматизацию ограниченного набора функций с использованием заданного интерфейса шины данных. В этих условиях развитие вычислительной техники заставляет обновлять аппаратные средства автоматизации после каждого качественного скачка в сфере компьютерных технологий. Так, смена 8-разрядного интерфейса шины данных ISA в IBM PC, принятого в компьютерах с процессорами i286, i386 и i486 всех модификаций, на интерфейс стандарта PCI делает невозможным использование многих разработок предыдущих лет по автоматизации измерений на компьютерах класса IBM PC Pentium. По этим причинам для ведения научных исследований в большинстве случаев приходится создавать автоматизированные контрольно-измерительные комплексы собственными силами.

Имеющиеся литературные данные по разработкам автоматизированных измерительных комплексов [1-3] свидетельствуют о том, что основным направлением отечественных разработок аппаратных средств автоматизации комплексов для научных исследований являлось использование магистрально-модульных измерительно-управляющих систем типа КАМАК, Фастбас, Мультибас. Результатом этого подхода стало создание дорогостоящих, энергоемких и громоздких автоматизированных измерительных комплексов, которые из-за использования стандартных модулей, как правило, имели много избыточных функций [1, 4]. Попытки устранить указанные недостатки размещением цифровых модулей в шине персонального компьютера приводили к снижению точности измерений за счет действия импульсных помех в корпусе компьютера, а также к ограничению количества автоматизируемых функций из-за малого числа слотов и возможностей блока питания компьютера (см., например, [5]). Немаловажным в оценке возможностей автоматизированных комплексов является также использование современного программного обеспечения как для составления программ управления экспериментом, так и для обработки результатов измерений и их отображения.

Целью данной работы является создание измерительно-вычислительного комплекса (ИВК), который имеет возможность работы с персональными компьютерами IBM PC любого поколения, высокую точность измерений параметров исследуемого объекта, средства для дальнейшего наращивания его функциональных возможностей, программное управление процессом измерения на языках высокого уровня, а также обработку результатов измерений в режиме «on line» в сочетании с малыми габаритами, технической простотой, низким энергопотреблением.

Идеология построения комплекса

На основании эксплуатации предыдущих вариантов автоматизированных комплексов [6] авторы пришли к однозначному выводу. Для автоматизации высокоточных электрических измерений внутренние технические решения размещения устройств сопряжения по достигаемым возможностям и параметрам явно уступают выносным решениям, когда цифровые устройства (цифроаналоговые преобразователи — ЦАП, аналого-цифровые преобразователи — АЦП и т.д.) размещаются в отдельном от персонального компьютера выносном блоке, имеющем источник питания. Таким способом удается значительно снизить импульсные наводки в измерительных и управляющих цепях, сохранить высокие эксплуатационные параметры компьютера, сделать независимым протокол обмена данными между измерительными устройствами и центральным процессором (персональным компьютером), а также иметь широкие возможности количественного и качественного наращивания измерительных возможностей ИВК. Управление работой выносного блока должно осуществляться по программам управления с персонального компьютера через COM (USB) — порт. Поэтому для управления работой выносных цифровых устройств и устройств сопряжения необходим дополнительный микропроцессор, преобразующий полученные от центрального процессора последовательные цифровые коды в команды управления цифровым модулем.

Конструкторское решение комплекса

Разработанный ИВК структурно состоит из персонального компьютера IBM PC любой модификации, выносного блока и набора контрольно-измерительной аппаратуры (осциллограф, генератор синусоидальных колебаний), необходимой для реализации вспомогательных функций. Основная нагрузка по автоматизации измерения электрических параметров исследуемых объектов лежит на выносном блоке, который состоит из цифрового и аналогового модулей.

Цифровой модуль содержит набор цифровых устройств, обеспечивающих подачу напряжения на исследуемый объект, измерение электрических параметров, выставление и считывание двоичного кода для управления работой внешних контрольно-измерительных приборов и коммутации цепей измерительного тракта в аналоговом модуле, элементы связи ИВК с центральной вычислительной системой (IBM PC), а также ряд дополнительных функций, облегчающих работу данного модуля.

В аналоговом модуле на схемотехническом уровне реализованы измерительные методики, выбранные для измерения свойств исследуемого объекта. В рассматриваемом комплексе таковыми выбраны следующие: измерения фотопроводимости и шумового напряжения кремниевого фоторезистора в зависимости от частоты тестового сигнала и постоянного напряжения на объекте. Для удобства доступа к входным цепям измерителей аналогового модуля при подключении к ИВК исследуемого объекта аналоговый модуль размещен в стандартном корпусе мобильного шасси RAC.

Оба модуля размещены в корпусе Hewlett Packard MicroATX, что позволило, с одной стороны, добиться единства конструкторско-оформительского решения PC и выносного блока, а с другой — максимально унифицировать изготовление комплекса (рис. 1). В этом варианте изготовления выносного блока ИВК можно легко дополнять цифровыми и аналоговыми модулями, контрольно-измерительными приборами, расширяющими возможности комплекса и обеспечивающими удобство работы с ним.

Цифровой модуль комплекса

Для реализации наиболее востребованных функций автоматизации измерения электрических величин и управления внешними устройствами кроме обязательного микропроцессора в состав выносного блока должны входить следующие цифровые модули: АПЦ, несколько

ЦАПов, а также входные и выходные регистры двоичных кодов. Современная элементная база ведущих производителей микропроцессорной техники позволяет объединить в одном чипе вспомогательный микропроцессор со стандартным набором цифровых модулей. На основе анализа имеющейся на рынке микропроцессорной техники нами выбран микрочип ADuC812 производства фирмы «Analog Devices», который содержит микропроцессор, совместимый с процессором серии 8051, и несколько цифровых устройств: два 12-разрядных ЦАПа, один 9-канальный 12-разрядный АЦП, а также двухбайтовый входной-выходной регистр двоичного кода [7]. Имеется возможность программного управления четырьмя входными и четырьмя выходными 16-разрядными интерфейсами [2]. Микропроцессор работает на частоте 12 МГц, имеет 8 кбайт программируемой флэш-памяти, 16 Мбайт внешнего адресного пространства данных, 64 кбайта внешнего адресного пространства программ, 256 байт встроенного ОЗУ для данных.

Широкие функциональные возможности микрочипа в сочетании с простотой программного обеспечения его работы и невысокой стоимостью стали основными факторами, определившими выбор микрочипа ADuC812 в качестве ядра цифрового модуля ИВК.

Программирование микропроцессора АйиС812

Для дешифровки команд центрального процессора и их перевода в команды управления цифровыми модулями составлены программы управления вспомогательным микропроцессором. Зашитые в память микропроцессора программы написаны на Ассемблере для микропроцессоров серии 8051. Кроме решения задачи программного сопряжения цифровых устройств с управляющим компьютером через микропроцессор они также генерируют сообщения о возможных ошибках в командах центрального и вспомогательного процессоров.

Управляющая программа интерпретирует цифровые и внешние устройства как набор регистров и ячеек памяти, обращение к которым фактически означает обращение к этим устройствам. Схематично программно-аппаратная связь между составляющими микропроцессора ADuC812 показана на рис. 2. Управляющая программа состоит из нескольких частей. Первая часть принимает данные от компьютера по RS232-интерфейсу и размещает их во входном буфере. Далее, при заполнении буфера или приеме символов конца строки управление передается ко второй части программы. Вторая часть представляет собой интерпретатор команд, который анализирует данные в приемном буфере. При положительном результате синтаксического разбора строки буфера управление передается в третью часть программы для ее исполнения, а при отрицательном результате — в четвертую часть для информирования об ошибке. Третья часть программы состоит из набора подпрограмм, реализующих функции управления работой цифровыми устройствами. Вызов функции определяется типом принятой команды.

В настоящий момент реализовано десять подпрограмм, одна часть которых являются рабочими, а другая — вспомогательными. Последние необходимы для настройки режимов работы цифровых устройств. Часть функций требуют дополнительных аргументов (например, запись данных в регистры ЦАП). Все аргументы передаются непосредственно с командой. Кроме того, часть подпрограмм возвращает результат своей работы в виде строки символов определенного формата, которая передается в компьютер по RS232-интерфейсу. Четвертая часть программы предназначена для выдачи сообщения о результате обработки команды или ее выполнения [8].

управляющая программа регистр процессора

MOV A.SBUF MOV DAC0.A ADCDATAr

о DACn

** XDATAnn

** SBUF

внешнее

— ADC

— DAC

--- PORTn

--- UART

Вх. Напр. Вых. Напр. Упр. Напр. RS232

Рис. 2 — Программно-аппаратная связь между составляющими микропроцессора ADuC812

Аналоговый модуль комплекса

В разработанном измерительно-вычислительном комплексе на аппаратном уровне реализованы четыре измерительные методики, являющиеся в настоящее время стандартными для оценки качества большинства современных устройств микро- и оптоэлектроники: измерение фотовольтаических и кинетических свойств полупроводников, а также их флуктуаци-онных свойств в широком диапазоне частот измерений (от единиц герц до сотен килогерц) и прикладываемых напряжений (в диапазоне ±10 В ). Для этого в ИВК имеется генератор синусоидальных колебаний типа Г4-153, управляемый ведущим процессором по программе измерений.

В качестве примера реализации функций автоматизации показана функциональная схема измерительного тракта фотопроводимости полупроводников (рис. 3). Здесь фоторезистор Фр освещается излучением ОаЛв-светодиода, запитанного в прямом направлении от источника постоянного тока. Модуляция оптического излучения осуществляется за счет синусоидального напряжения, снимаемого с выхода программируемого генератора. Управление работой генератора происходит двоичным кодом, выставляемым выходным регистром ИВК. Состояние фоторезистора задается величиной постоянного напряжения, вырабатываемого ЦАПом согласно программе проведения эксперимента. Сигнал фотопроводимости снимается с сопротивления нагрузки и после усиления подается на квадратичный детектор и затем на АЦП. Форма переменного сигнала контролируется с помощью осциллографа.

Рис. 3 — Функциональная схема измерительного тракта фотопроводимости

Цифровое управление генератором

В пакете программ управления работой комплекса имеется программа по выставлению частоты и амплитуды синусоидальных колебаний, генерируемых промышленно выпускаемым генератором Г4-154 и используемых в качестве тестового сигнала для измерения электрических свойств полупроводников. Требуемые параметры генерируемых колебаний вводятся оператором с клавиатуры, при этом частота вводится в килогерцах, а амплитуда — в милливольтах. После ввода необходимых значений на их основе программа генерирует цифровой код, соответствующий команде управления генератором. Формат команды при записи числа состоит из адреса, по которому посылается код управления, и собственно управляющего кода. Каждый из кодов состоит из 4 разрядов, соответствующих 4 разрядам записываемого десятичного числа — значения частоты или амплитуды:

Адрес Код

0000 0000

В использованном генераторе частота выставляется в виде четырехзначащей цифры, а амплитуда — трехзначащей. Функционально внутренняя схема управления работой генератора построена следующим образом: из записанной в программе управления команды сначала считывается адрес, а затем вводимое по этому адресу число (то, что выше названо кодом). Затем считанный код записывается во внутренний регистр по указанному адресу — так заполняется один из разрядов значения частоты или амплитуды. Затем считывается другой адрес (следующий разряд) и вводимый по этому адресу код и снова записывается код в следующий разряд — и так по всем разрядам. Таким образом, для введения четырехразрядного значения частоты необходимо сформировать пять команд вида, показанного в таблице: четыре на заполнение разрядов и одну на определение положения десятичной запятой в значении частоты. Для введения амплитуды формируется четыре команды управления: три на заполнение разрядов значения амплитуды и одна на определение положения десятичной запятой в этом значении. Следовательно, программа управления работой генератора содержит девять команд указанного.

Адресация разрядов записывается в двоичном коде в указанном выше порядке, начиная с 0001 для цифры первого разряда значения частоты и до 0100 для четвертой цифры значения частоты. Положение запятой (разрядность) частоты имеет код адреса 0101. Цифра первого разряда амплитуды имеет код адреса 0110 и до третьего с адресом 1000. Положение запятой (разрядность) амплитуды имеет код адреса 1001. При записи пятого разряда частоты в адресную часть записывается код, начиная от 0000 для диапазона до 9,99 Гц и заканчивая 0111 при записи частоты от 10 МГц. При записи четвертого разряда выхода в адресную часть записывается код от 0000 для амплитуды до 99,9 мкВ до 0110 для амплитуды от 10 В. Например, для установки на генераторе значения частоты 123,4 кГц и амплитуды 5,67 В необходимо сгенерировать девять команд в следующей последовательности:

— сначала у значащих цифр во введенных значениях частоты и амплитуды определяется их разрядность, а также положение десятичной запятой. Для указанного значения частоты поразрядное заполнение будет иметь следующий вид (в формате «разряд — значащая цифра»): 1 — 4, 2 — 3, 3 —2, 4 — 1, 5 (положение десятичной запятой в значении частоты) — 5, для амплитуды: 6 — 7, 7 — 6, 8 — 5, 9 (положение десятичной запятой в значении амплитуды) — 5;

— формируются команды (девять последовательных слов для записи в выходной регистр цифрового модуля) по следующему принципу: присоединенное к шестнадцатеричной команде установки выходного регистра шестнадцатеричное число, в десятичном виде имеющее вид 255 - (цифра + 16*разряд). Особенностью автоматизируемого генератора является то, что в нем логической единицей является сигнал низкого уровня, а логическим нулем — высокого уровня. По этой причине формируемая команда инвертируется, что достигается вычитанием вводимого числа из 28 - 1 = 255. По этому принципу формируются все требуемые девять двоичных кодов;

— сформированные по указанному принципу команды из программы управления, находящейся в центральном процессоре, посылаются на Сот-порт компьютера для передачи на вспомогательный микропроцессор. Эти команды дешифруются микроконтроллером АОиС812, и по его сигналам управления последовательно посылаются команды на выставление двоичного кода на выходном 8-битовом регистре ИВК. Это двоичное слово передается в генератор, где дешифруется (разъём генератора соответствует стандарту Оате-порта).

Результаты экспериментальных измерений

Разработанный ИВК полностью использует возможности современной элементной базы, что позволяет минимизировать его энергопотребление, габариты и, за счёт применения разработанной идеологии и использования программируемых управляющих микропроцессоров, расширить функциональные возможности и диапазоны измерения параметров, а также повысить точность измерений. Измеряемое АЦП максимальное напряжение составляет ± 10 В, минимальное напряжение — несколько милливольт при точности в единицы милливольт и стабильности заявленных параметров не хуже 10-6 В/°С. Точность выставления напряжения ЦАПами в диапазоне ±10 В не хуже 4 мВ при стабильности 10-6 В/°С.

В качестве полученных результатов на рис. 4 изображена зависимость фотопроводимости кремниевого фоторезистора от частоты модуляции светового излучения при заданном постоянном напряжении на фоторезисторе (V = 3,0 В).

|д(ифп>

отн. ед.

1

к > ¡ф4

10'

10"

10

* Гц

Рис. 4 — Зависимость фотопроводимости фоторезистора от частоты

Представленные результаты показывают, что разработанный комплекс дает возможность измерять слабые сигналы в широкой полосе частот и значений постоянного напряжения на исследуемом полупроводниковом приборе. Это позволяет выявить особенности электрических характеристик. Так, представленная на рис. 4 частотная зависимость фотопроводимости отличается от известной наличием диапазона частот, в пределах которого фотопроводимость описывается колоколообразной кривой и зависит от величины приложенного к фоторезистору постоянного напряжения.

Выводы

Созданный измерительно-вычислительный комплекс для автоматизированного исследования свойств полупроводниковых приборов обладает широкими метрологическими и функциональными возможностями, высокой точностью и стабильностью эксплуатационных параметров. Он способен заменить ряд промышленно выпускаемых измерительных приборов, дополнив выполняемые ими функции предварительной обработкой результатов измерений, их запоминанием, хранением и т.д. Комплекс может быть использован как для научных исследований, так и в учебном процессе. Высокие эксплуатационные параметры, низкая себестоимость, современный дизайн и возможность сборки ИВК на автоматизированной линии делают его перспективным для выпуска малыми сериями в любой модификации.

В настоящее время ИВК используется при исследовании фотоэлектрических и шумовых свойств полупроводниковых приборов и структур, где принципиальным является сочетание высокой точности и скорости измерений с минимальным уровнем импульсных помех и наводок на входные цепи измерителя и в цепях питания, а также обработка результатов измерений по заданным алгоритмам, наглядность отображения результатов обработки.

Литература

1. Эрглис К.Э. Магистрально-модульные многопроцессорные измерительно-управляющие системы // Приборы и техника эксперимента. - 1983. - № 1. - С. 7-20.

2. Дьяконов В.П. Персональные ЭВМ в аппаратуре и технике эксперимента // Приборы и техника эксперимента. - 1986. - № 1. - С. 7-18.

3. Басиладзе С.Г. Анализ предложений новых стандартов для систем автоматизации эксперимента // Приборы и техника эксперимента. - 1986. - № 3. - С. 7-32.

4. Алеев А.Н., Басиладзе С.Г., Селиков А.Е. Интерфейсный контроллер крейта для персонального компьютера // Приборы и техника эксперимента. - 2003. - № 5. - С. 56-59.

5. Прытков С.Ф. Автоматизированная установка для исследования шумоподобных сигналов // Приборы и техника эксперимента. - 1996. - № 2. - С. 60-63.

6. Войцеховский А.В., Давыдов В.Н. Фотоэлектрические МДП-структуры из узкозонных полупроводников. - Томск: Радио и связь, 1990. - 327 с.