光电二极管特性研究论文

光电二极管特性研究论文（共4篇）

光电二极管特性研究论文 篇1

1. 光电二极管暗电流测试

在气压0.9×105Pa, 26℃温度, 湿度36%下, 根据电路图焊接实物, 所得测量得到的数据便可计算出光电二极管的暗电流。测量出U暗的是U1=10.7m V, U2=11.7m V, U3=10.9m V, U4=11.3m V, U5=12.4m V可求出U暗的平均值为

由公式I暗=U暗/RL就可以算出I暗

即:I暗=U暗/RL=11.4m V/100K=114n A。

2. 光电二极管光电流

在气压0.9×105 Pa, 26℃温度, 湿度36%下, 根据实验原理图焊接实物电路, 其中电流表上的示数即为光电二极管在偏压为6V, 光照300lx时的光电流。在上诉实验条件下测得的五组光电流的值为:I1=0.263m A, I2=0.253m A, I3=0.274m A, I4=0.241m A, I5=0.239m A

3. 光电二极管光照特性测试

在气压0.9×105Pa, 26℃温度, 湿度36%下, 更具电路图, 根据实验原理图焊接实物电路, 其中电流表上的示数即为光电二极管在偏压为6V, 调节光的亮暗程度, 测定对应的光电流。实验数据:当光强为E分别为294 lx, 491 lx, 715 lx, 846 lx, 1125其对应光电流I为0.254m A, 0.577m A, 0.781m A, 0.956m A, 1.312m A。并将测定的数据绘成表格并利用Origin绘成图像, 如图1。

分析:在气压0.9×105 Pa, 26℃温度, 湿度36%下的实验条件下, 光电二极管在适当负偏压下, 由图像可以粗劣的得出当入射光的强度均匀变化时, 光电二极管产生的光电流也发生了变化, 还可以得出当光强均匀增大时光电二极管产生的光电流成比例增加。由此我们可以得出在负载电阻RL一定时, 光电二极管产生的光电流和光强成正比。一般来说随着光照强度的增加, 光电二极管的电流增大。

4. 光电二极管伏安特性数据与分析

在气压0.9×105Pa, 26℃温度, 湿度36%下, 根据实验原理图焊接实物电路, 我们分别在实验条件允许下测量在光强在300lx和光强在500lx的光电流, 并改变了偏压值 (偏压值在0~-12V间) , 测得多组数据。实验数据为:当光照为400lx时偏压分别为0V, -2V, -4V, -6V, -8V, -10V, -12V, 对应光电流为0m A, 0.85m A, 1.17m A, 1.29m A, 1.39m A, 1.42m A, 1.45m A;当光照为600lx时偏压分别为0V, -2V, -4V, -6V, -8V, -10V, -12V, 对应光电流为0m A, 0.98m A, 1.86m A, 2.17m A, 2.36m A, 2.43m A, 2.49m A。并将测定的数据绘成表格并利用Origin绘成图像如图1。

分析:通过观察图像, 我们可以一眼就看出, 当光强为400lx时, 光电二极管的光电二极管随着负载电压的增大而增大, 但是在负载开始增加时光电流增加的较快, 而随后逐渐减慢, 由此可以得到在一定负载的情况下光电二极管随着负载的增加而增大, 当超过零界时负载在增大而光电二极管的光电流几乎不增加。在负载一样时光强越大光电流越大。

5. 光电二极管光谱特性测试

在气压0.9×105 Pa, 26℃温度, 湿度36%下, 根据实验原理图焊接实物电路, 根据实验数据制成的图像可以准确的知道光电二极管在偏压为15V和光照为500lx时, 改变光的波长我们可以得到光电流也随之而变 (因为不同颜色的光波长不一样) 。利用公式I光=U测/RL就可以可以算出光电流 (其中U测是负载电阻RL两端的电压, I光光电流) , 并将测定的数据绘成表格并利用Origin绘成图像如图2.2。

不同颜色的光对应的波长为:

分析:通过观察图像, 我们可以一眼就看出, 当波长为700nm左右时这个光二极管的光电二极管的光电流才最大, 也就是说早700nm时光电二极管的特性最好。还可以粗劣的得出光电二极管的光电流随这波长的增大而增大。也可以看到在白光的作用下的光电流也很大, 也就是在白光下光电二极管的性能也很强。

6. 应用与创新

光电二极管是将光信号部分转化成电信号的电子元件, 当有光照在光电二极管的PN结时, 其可以吸收光的能量并将其转化为电能 (微弱) , 这样其就可以是方向截止的光电二极管导通, 光强越大, 反向导通的电流越大这就是光电二极管在电路中起到将光信号转化为电信号。当光电二极管不加电源时, 光电二极管可以利用自身的PN结在接受光照射时会产生正向电压, 如果这时我们来检测其电压, 就可以利用事先制定好的对照表来知道现在的光强, 这样就可以制成光强检测仪

针对在我国的交通信号灯在晚上特别亮而在白天亮度又不够的现状, 这个现状容易让驾驶员看不清, 从而影响红绿灯路口的通过效率, 严重时引起交通事故, 本文主要论述通过光电二极管的特性实现交通信号灯的亮度的自动调节。

7. 结语

自然界中很多信息是通过光来传播的, 如果我们能将这些信息从中找出加以利用, 可以使我们的生活更加美好。目前能够用于光信息收集的光电二极管就有很大的作用, 在本文利用实验来测定光电二极管的特性, 其中光电二极管的光照特性就可以用于目前的交通信号灯的灯光的亮暗调节从而方便司机获取信息。

光电二极管特性研究论文 篇2

关键词：内燃机,雪崩光电二极管,喷雾,X射线,成像

0 概述

研究柴油机燃油喷雾雾化对节能减排具有重大的现实意义。在以往的燃油喷雾研究中,已发现不少影响喷雾过程与雾化质量的因素,包括喷嘴内的空穴现象、喷嘴几何形状和气缸内的背压等。然而,由于以往研究手段的限制,喷雾近场特性未得到很好的了解,而该处的信息对研究雾化的产生及雾化的早期发展却是极为重要的。随着相关学科的发展,越来越多的先进测试技术运用到喷雾研究中。而基于雪崩光电二极管X射线成像技术的成功运用,可定量检测整个喷雾场的浓度,其效果优于其他喷雾场可见光测量技术[1,2]。

1 与早期传统喷雾测量技术的比较

最早对喷雾的定量研究是采用机械式测量方法。主要有液滴固化法、沉降法、压痕法、导线法、热线法等。通过这些方法只能对喷雾场进行大体的了解,精确度不高。尤其是导线法和热线法,由于要将传感器(导线或热线探头)置入喷雾场中,使流场受到干扰,破坏流场的本来特征,影响获取真实的喷雾场参数。

阴影法和纹影法等使用普通光源的光学测量技术,虽然也可以得到喷雾的密度场分布,但由于喷雾场中的小液滴会使光线散射,大量衰减了入射光。虽然这样的测试方法可以识别成像图片中包含小液滴的区域,但光线衰减不可避免地使喷雾场内部结构的分辨率变差。

利用激光作为光源,通过散射、干涉、衍射等原理发展的激光散射技术、激光全息技术、激光诱导荧光技术等测试方法,提高了喷雾可视化程度,可以粗略地得到喷雾场密度的分布,利用激光多普勒测速仪和粒子图像测速仪,也可以获知一定精度的喷雾速度。但由于喷雾场中存在着大量喷雾破裂时产生的小液滴,激光在这些小液滴之间多次反射、散射,使图像分辨率降低,而且也很难在喷嘴口处定量地获取喷雾场浓度。

采用雪崩光电二极管X射线成像技术研究喷雾场,不会像机械式测试方法那样,对喷雾场造成人为的破坏,并且X射线在小液滴表面也没有很强烈的来回散射,所以也不会有因多重散射而使成像结果失真的问题[1,2]。除此之外,这项技术有很高的时间与空间分辨率,能将喷雾结构的细节显示得很清楚。

2 雪崩光电二极管(APD)阵列探测技术

雪崩光电二极管在外加较高的负偏电压作用下,由管中特定的PN结构,可触发碰撞电离机制,而对初生的光生载流子提供快速倍增,从而产生内部电流增益。为得到这种增益所伴随产生的噪声电平,明显小于采取PIN光电二极管接电子放大器方案时产生的噪声电平,即雪崩光电二极管可提供较好的信噪比。

APD阵列并非雪崩光电二极管的简单拼接,而是将门控、APD、计数电路、多路复用器、移位寄存器等单元有机地组合在一起,构成一个个“像素”单元。工作时,目标成像在APD阵列的“像素”单元上,光感应区输出光子到达不同像元的数字二维矩阵[3]。由于该信号是离散的,没有灰度等级的二维数字矩阵,还需要采用门控工作方式来产生多幅光子事件图像,这些图像再经过图像处理单元进行时间相关、非均匀校正、增强、降噪处理后得到包含信息的高灰度等级图像。APD阵列探测器成像过程如图1[4]所示。整个APD阵列成像系统主要由控制单元、接收光路、APD阵列、高速图像处理单元、显示合成单元等组成,其中APD阵列又包含偏压控制、计时电路和读出电路。

3 雪崩光电二极管X射线喷雾场成像试验方法

文献[1,2]将APD阵列作为探测器,利用X射线成像技术对喷雾场进行了试验研究,成功地测出了喷雾场密度分布,并得到了普通光学手段无法探究的喷雾近场密度分布。

线性吸收是喷雾场对X射线最主要的作用,这是整个X射线吸收成像最基本的原理和前提条件。由于小液滴表面对X射线的反射和散射很小,尤其是当光子能量很低时,一般认为喷雾场对X射线的线性吸收占了主导[1,2]。其次,在整个试验过程中,入射的X射线强度假设是稳定不变的,因为试验所得结果并不是一次喷雾测得的,而是多次喷雾的结果加权平均以后得出的,因此大量减小了X射线入射强度的波动对试验结果的影响。因为喷雾场对X射线的吸收是线性的,所以认为压力室内喷雾场各处只有密度上的不同,如果其中的微量散射也可以被忽略,那么X射线穿过样本的强度公式为:

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式中,I、λ、t分别为X射线的强度、波长和穿透时间;z为X射线的传播方向;ε为喷雾场对X射线的线性吸收系数。

X射线的强度在喷雾开始前就要预先被记录下来,以该强度作为入射强度,再确定X射线穿过喷雾场的透射。通过记录和处理预测的X射线强度,压力室内的环境气体和压力窗对X射线的吸收就被自动的计算在内,投影密度公式为:

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式中,ρ为燃料的密度。

这种基于APD探测器的X射线成像技术,即使是燃油喷雾场中存在着大量的小液滴,也能给出燃油在X射线束路径中的当量投影密度。

文献[1,2]利用美国Argonne国家实验室先进光子源(APS)的1-MB光束得到同步辐射光源。为了使得到的X射线适合于这个试验,需要用X射线曲面反射镜来对从辐射源发出的射线进行聚焦,同时,在该试验中为了进一步限制光束的尺寸,又用了两道狭缝来遮盖多余的光束,一道垂直导向,另一道水平导向(图2),最后得到的光束尺寸相对于喷雾轴线方向为200 μm,垂直于轴线方向为30 μm。

试验用的喷雾是通过安装在Bosch共轨喷油器上的轴向单孔喷嘴喷射液体模拟的。X射线定向穿过喷雾,照射到雪崩光电二极管阵列上。雪崩光电二极管上产生的电压信号用横河(Yokogawa)DL7480型500 MHz数字式示波器按试验要求设定进行有规律的记录。同时,射线强度长时间的变化用电离室进行无干扰地监测,整套试验装置如图2所示[1]。

试验系统中使用的金属和玻璃等制品将会很大程度地吸收X射线的光子能量,因此,压力室使用了Argonne试验室为X射线试验专门设计的特殊材质的窗口,可以有效减少对X射线的吸收,同时也能承受3 MPa的压力。

为了探究喷雾场的结构,X射线需穿过喷雾流场中2 255个独立的定位点(图3[1])。这2 255个像素APD分布在图中的x-y平面内,其中x坐标轴沿着喷油器轴线的方向,y坐标轴则位于截断喷油器轴线的截面内,它同时垂直于喷油器轴线方向和X射线入射方向。这样X射线成像的像素就自然地“映射”在两轴所组成的平面内。

从图3可看出,这2 255个定位点不是杂乱无章、无序排列的。而是排列在一些离散的横向切片上,所以数据也被获取在这些切片内。在x轴方向上,切片之间的间隔分别从喷嘴附近的0.2 mm到测量网格范围末端的2 mm不等。为了测试喷雾的全宽并保持很好的结构分辨率,每片上都均匀分布着25～55个测量定位点,在y轴方向上,这些点与点之间的间隔也分别从喷嘴附近的30 μm到测量网格范围末端的240 μm不等。同时为了保证精确度,在每个测量点上,射线的测量强度是64次单独喷雾测试的平均值。

为了模拟发动机气缸内的环境,使测得的数据更为精确,燃料本应被喷入温度为800 K、气压为6 MPa的压力室内。但是,现有的X射线压力窗技术还难以达到试验要求,该试验排除了模拟这些环境条件的做法。

为了提高成像的效果,试验喷雾以Viscor 1487为燃料来模拟柴油喷雾场。它与柴油有着相似的物理特性,同时以一定比例加入添加剂铈(Cerium),可大幅度提高喷雾场对X射线的吸收系数,从而也提高了信噪比,使成像更加清晰。由于添加剂铈只能吸收能量在5.8 kev以上的光子,所以试验用的X射线的光子能量被控制在8 kev。

在文献[2]的研究当中,喷油嘴的喷射压力被控制在25 MPa,并在1号和2号喷嘴上分别进行喷射时间为400 μs和1 000 μs的两组试验。1号和2号喷嘴的内部结构如图4所示,两者的区别在于1号喷嘴喷孔入口圆滑过渡,而2号喷嘴喷孔入口则是尖角直接过渡。燃料在室温和常压下被喷入压力室。之所以选择这样的试验环境,除了现有技术的限制以外,还为了能在尽可能大的范围内获得所要的测量数据,因为在高压条件下使用较小的X射线压力窗会限制“视野”的范围。同时为了及时清除压力室中喷入的燃料,氮气以1 L/min的流量不断地被充入,由于压力室大约有0.5 L的容积,清扫气流引起的环境气体流动速率是相对很小的。

4 成像结果与分析

入射的X射线穿过喷雾场,气相的燃料吸收了大量的光子,极大地削弱了X射线的强度,具有微秒级分辨率的APD阵列探测器“截获”穿过喷雾场的X射线,由此获取的APD参数再经过处理,可得到喷雾场的结构。图5～图7显示的是文献[2]中短时喷雾(400 μs)试验所得出的喷雾场投影密度。从图5可清楚观察到,喷雾一旦发生后,在喷孔出口处立刻形成一块高密度的燃油喷雾区,且沿着喷口轴线方向,投影密度逐渐减小。但在喷雾发生206 μs后,投影密度并非继续沿着喷雾轴线方向相应地减小;反而,在喷雾场的前缘,形成了一块高密度燃油区域(图6),称之为液核。这一结构在1号喷嘴上可以更清晰地看出。同时,该结果也在其他X射线喷雾场成像试验中出现[5,6,7]。而在传统的光学测量方法中,由于喷雾中心被燃油小液滴层包裹,这个变化过程难以被观测。

在整个喷雾雾化过程的末期(图7),喷射过程结束后,集中在喷雾场前缘的燃油开始扩散,同时整个喷雾场也继续向下游发展(1号喷嘴更加明显)。但在喷油嘴出口仍有小块高浓度的燃油区域,如果能排除泄漏,则说明出口附近的燃油移动缓慢且雾化效果差。两种类型喷嘴最大的区别便是1号喷嘴的喷雾场发展更为迅速,在喷雾过程中的同一时刻,1号喷嘴的喷雾扩展和雾化发展都要先于2号喷嘴。

在长时喷雾(1 000 μs)试验中(图8～图10)[2],早期的喷雾场演变与短时喷雾的极为相似。对比图6与图8可知,最大的区别在于长时喷雾试验中连接喷油嘴出口与喷雾前缘的喷雾场投影密度大于短时喷雾,这在两组试验中,1号喷嘴表现得尤为明显。

随着喷雾的进行,前缘结构超出了测量的范围,出现了如图9所示的喷雾场结构,即在1号喷嘴发生了喷雾场的扩散。然而,大约在喷雾进行700 μs后,1号喷嘴喷雾又迅速转变为狭窄的液体射流(图10),进入最终的喷雾稳态,而这一喷雾场结构前后发生变化的现象在2号喷嘴中未出现,2号喷嘴始终保持着较为稳定的喷雾进程。从图10中也可以观测到,在喷雾进入到最终的稳态后,1号喷嘴的喷雾场比2号喷嘴的要狭窄,且1号喷嘴连接喷孔口与喷雾前缘的喷雾场投影密度也远大于2号喷嘴。

5 结论

(1) 雪崩光电二极管阵列具有单光子探测能力,相比其他的探测器具备更高的探测灵敏度和时间分辨率。以雪崩光电二极管阵列作为探测器的X 射线成像技术的试验方法,能在高压高速的燃油喷射中得到喷雾场实时的内部形态和密度,可以利用由此得到的相应信息研究喷雾的动力学特性和燃油的破裂特性。并且,与激光或可见光相比,X射线在喷雾场中的散射小,用该试验方法可得到高清晰度喷雾场图像,可对喷雾场密度进行直观了解,也为研究和完善喷雾雾化机理提供了数据支持,为以后发动机燃烧和排放性能的改善奠定了基础。同时,将该试验运用于不同喷嘴,还可以为改良喷嘴设计提供技术上的支持。

(2) 目前,该试验方法只是在代用燃料Viscor 1487上试验,取得了良好的效果。因此对于柴油喷雾场运用APD阵列X射线成像技术进行测量,还要进行进一步研究。

参考文献

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光电二极管特性研究论文 篇3

1 线阵激光雷达结构和测距原理

多路时间间隔测量主要指在同一个开始信号之后有多路并行的停止信号, 其测量系统能够同时测量一个开始信号与多个停止信号之间的多个时间间隔。图1为线阵激光雷达系统结构框图, 图中脉冲激光器发射脉冲激光先通过光学装置整形再经分光片将收到的脉冲激光分为比例悬殊的两部分, 极小部分激光经高速光电探测模块转换处理后输出数字电压信号, 该信号作为计时开始信号进入本文设计的多路高精度时间间隔测量系统, 此开始信号标示了激光发射时刻, 成为多束激光回波飞行时间测量的起始时刻。经分光片分出的绝大部分激光由发射光学系统扩束后对目标实施泛光照明, 在目标上形成长椭圆形光斑。从目标反射的激光回波经接收光学系统会聚到一个1×8 APD线阵探测器的光敏面上, 该线阵探测器将激光回波信号进行光电转换输出微弱电流信号, 再经放大、比较电路处理后输出最多8路数字电压信号作为停止信号进入本文设计的多路高精度时间间隔测量系统, 该系统并行测量从收到开始信号至8路停止信号到达的8路激光飞行时间t1、t2…、t8, 再根据激光雷达探测距离s和激光往返飞行时间t的关系式:s= (1/2) ct (c为光速) , 即可计算得到最多8路距离信息。这里提及的“最多8路”是考虑到有些情况APD线阵探测器上部分APD单元可能收不到激光回波, 如超过探测距离, 目标为水面或激光回波非常弱等情况。

2 硬件设计

2.1 芯片选型

目前高精度时间间隔测量主要有二种方案:FP-GA方案, TDC专用计时芯片方案。FPGA方案时间测量精度偏低, 不适合面阵激光雷达系统;TDC专用计时芯片方案主要集中在TDC-GP2x的应用[4—6], TDC-GP2x芯片只有两个测量通道而且是SPI同步串行方式输出测量数据, 而本系统需要并行测量8路激光飞行时间, 因此TDC-GP2x芯片不适合本系统。本设计最终选定德国acam公司功能最强大的TDC-GPX芯片作为时间间隔测量芯片, 该芯片可同时测量8路信号, 分辨率81 ps, 数据输出总线为28位或16位[7]。本设计采用1片TDC-GPX芯片即可满足8路激光飞行时间测量。

本系统采用1×8 APD线阵芯片接收激光回波, 单个激光脉冲就可探测一个条状区域, 因此对激光器重复频率要求降低, 且不超过1 k Hz, 因此采用ST公司生产的高性价比ARM Cortex-M3架构STM32F103VCT6微处理器配置TDC-GPX芯片并读取其测量数据。该微处理器系统时钟频率72 MHz, 80个I/O口, 16个外部中断, 5个串口, 内存64 KB, 闪存容量256 KB[8], 能够适用于操作TDC-GPX芯片。

2.2 硬件系统结构

图2为本设计的硬件系统结构, 包含两块双面PCB电路板, 一块为计时电路板, 另一块为控制电路板, 二者通过双排插针和双排插座连接。计时板包含1片TDC-GPX芯片可测量8路激光飞行时间;控制板包含1片ARM STM32F103VCT6微处理器用于配置计时板中的TDC-GPX芯片, 读取其测量数据, 并将数据上传PC机。计时板和控制板分开设计主要出于以下考虑:首先, TDC-GPX芯片价格昂贵, 现将其设计在一块单独的电路板上, 即使控制板更改设计, 计时板仍然可以使用, 这样可提高通用性、互换性、避免浪费。第二, 如果需要并行测量更多路激光飞行时间, 只需增加计时板使系统具备易于扩展的良好特性。

2.3 硬件设计

图3为本测量系统硬件设计框图, Start为TDC-GPX芯片进行时间间隔测量的开始信号, 来自图1中“高速光电探测模块”的输出。Stop1~Stop8为8路停止信号, 来自图1中“放大及比较电路”的输出, 鉴于高精度时间测量PCB板上的铜导线传输延迟不能忽略, 因此8路停止信号在PCB板上保证等长布线, 位于同一布线层, 且线上过孔数相同。PuRes N为TDC-GPX芯片复位信号, 低电平有效, 连接STM32F103VCT6的PB9脚;Alu Triggier为主复位信号用于清空TDC-GPX片内FIFO, 连接PC2脚;Stop Dis1~4共4个信号, 为8路停止信号Stop1~Stop8的输入使能, 分别连接STM32F103VCT6的PC0、PC1、PA1、PA2;CSN、OEN、RD、WR分别为TDC-GPX的片选, 测量数据输出使能, 读, 写信号, 连接到PB13、PB5、PB14、PB15;Addr0~Addr3为4位地址总线, 分别连接到PC3, PB5, PB7, PB4;D0~D27为28位数据总线, 连接到STM32F103VCT6的PD口高12位即PD4~PD15和PE口, 共28位;IrFlag为TDC-GPX中断请求信号, 连接到PC10;EF1、EF2分别表示TDC-GPX内部的IFIFO1和IFIFO2的状态, 为1时表示对应的IFIFO为空, 连接到PB8和PB6脚。

2.4 与上位机通信的硬件设计

控制电路板上的STM32F103VCT6微处理器将从计时电路板读取的时间间隔测量数据由串口1输出到USB/串口转换芯片PL2303, 这样8路测量数据就由USB口上传至PC机。USB/串口转换电路如图4所示, PL 2 3 0 3的RXD、TXD连接控制板STM32F103VCT6微处理器的串口1 (PA9, PA10) , DM、DP通过22Ω电阻分别连接USB插座的数据口D-和D+;该转换电路必须在数据口D+上拉1.5 k电阻到3.3 V (PL2303的17脚) , 这样上位PC机中的USB主机就可以判断是否有计时板接入, 否则接入的计时板不能被PC机识别。

3 软件设计

3.1 主程序设计

8路激光飞行时间测量主程序工作流程如图5所示, 该程序运行在控制电路板中STM32F103VCT6微处理器上。首先, 初始化微处理器STM32F103VCT6主要包括: (1) 时钟初始化, 本设计使用8 MHz外部时钟倍频产生72 MHz系统时钟; (2) I/O初始化, 主要配置与TDC-GPX连接的相关I/O, 28位数据总线D0-D27支持双向操作, 由于ARM Cortex-M3架构的处理器为16位外部数据总线, 而本设计使用非标准的28位数据总线, 因此采用通用I/O模拟28位数据总线的读、写时序, 读操作前必须将D0~D27配置为输入, 写操作前又必须将D0~D27配置为输出;4位地址总线Addr0-Addr3配置为输出;读写控制线RD、WR配置为输出, 4根停止信号输入使能线Stop Dis1~4配置为输出;TDC-GPX的复位PuRes N, 主复位Alutrigger, 片选CSN, 数据输出使能OEN均配置为输出;TDC-GPX的中断线Ir Flag, IF-IFO0空标志EF1, IFIFO1空标志EF2均配置为输入, Ir Flag配置为STM32F103VCT6的一个外部中断源, 上升沿触发。 (3) 串口初始化, 使用串口1, 波特率38.4 Kbps。 (4) 中断初始化, 用于初始化串口1中断, Ir Flag外部中断。 (5) 延时初始化, 配置延时函数, 以供程序调用。

第二步, TDC-GPX芯片初始化:通过清零PuRes N复位TDC-GPX;对Stop Dis1~4置1禁止停止信号输入;配置TDC-GPX内部相关寄存器设定其工作方式, 本设计配置的工作方式为:I模式, 选择开始信号和停止信号触发方式为下降沿触发, Mtimer定时到则触发Ir Flag中断;对4个引脚Stop Dis1~4清零, 使能停止信号输入则TDC-GPX进入时间间隔测量状态。

第三步, 测量程序进入事件循环, 等待事件发生, 由于主程序按事件驱动模式设计, 因此该循环永不返回。如果没有事件发生, 程序一直处于等待状态。若有事件发生, 程序就会跳转到相应事件的中断处理程序入口, 然后执行事件处理的中断服务程序, 执行完后回到事件循环继续等待下一个事件发生。本设计主要处理两个事件: (1) TDC-GPX产生的Ir Flag外部中断事件, 请求STM32F103VCT6微处理器读取8路测量数据, 微处理器将测量数据存入其内部开辟的8K循环FIFO中; (2) 串行口1数据发送中断事件, 每次中断微处理器从循环FIFO中读取1字节送至串行口发送, 串口1发送的数据经PL2303芯片自动转换为USB数据流进入上位PC机进行处理。

3.2 Ir Flag中断服务程序设计

TDC-GPX执行测量后向STM32F103VCT6微处理器发出中断请求信号Ir Flag, 微处理器响应后执行Ir Flag中断服务程序。图6为Ir Flag中断程序流程图。第一步, 判断EF1信号是否为0, 如果EF1=0, STM32F103VCT6微处理器从数据总线D0~D27上读取来自IFIFO0中的1~4通道测量结果, 并写入其片内RAM中开辟的8 KB循环FIFO中。如果EF1=1, 表示TDC-GPX的IFIFO0为空, 即:1~4通道没有测量数据, 程序转入下一步。第二步, 判断EF2信号是否为0, 如果EF2=0, 微处理器从数据总线D0~D27上读取来自IFIFO1的5~8通道测量结果, 并写入片内RAM中开辟的8KB循环FIFO中。如果EF2=1, 表示TDC-GPX的IFIFO1为空, 即:5~8通道没有测量数据。第三步, 程序对TDC-GPX进行主复位, 即对信号Alutrigger置1后再清零, 用于清空TDC-GPX内部FIFO中数据, 准备下一轮测量。第四步, STM32F103VCT6启动串口1发送上述第一步和第二步写入循环FIFO中的测量数据。最后, Ir Flag中断退出, 程序返回事件循环。

3.3 循环FIFO实现

本设计在STM32F103VCT6微处理器的片内RAM中开辟了8KB循环FIFO作为串口1的发送缓冲区。这样通信收、发缓冲区对应的存储区域都是一个循环队列, 如此设计可有效避免因通信缓冲区溢出引发的通信处理异常。

循环FIFO设置有读指针和写指针。每写入或读出一个数据, 写指针或读指针就沿缓冲区移动一位。循环FIFO空、满状态判断非常方便, 下面的语句组摘自本设计控制板上STM32F103VCT6串口1发送中断服务程序, 其中SEND_BUF_SIZE=8 192, 即循环FIFO大小为8 KB, Scom1定义了串口1操作的结构体。

4 实验及误差分析

4.1 实验装置及过程

为了验证本设计的时间间隔测量系统测量精度, 本实验在实验室内完成, 探测目标为室内墙面, 实验使用的激光雷达为本项目研发的1×8线阵激光雷达, 激光器是购买德国Laser components公司生产的905 nm脉冲激光器模块, 脉冲峰值功率220W, 脉冲宽度8 ns。实验步骤如下:

(1) 将激光雷达装置移到实验室内距被照射墙面最远处 (约11 m) 。

(2) 用Leica公司毫米级精度激光测距仪标定被测距离。

(3) 触发激光器发射脉冲激光照射墙面, 测量3次, 试验过程中测量数据自动上传至PC机。

(4) 上位机接收TDC-GPX测量值, 并计算出已校准的8通道时间测量值。

(5) 将实验装置向被照射墙面推进1 m, 重复步骤2~4, 直至实验装置推进到距墙面6 m处结束一组实验。

(6) 重复步骤 (1) ~ (5) 进行多组实验, 验证其重复性。

4.2 实验数据及分析

由于本设计中使用的线阵激光雷达需搭载于运动平台上, 不可能对同一目标进行很多次测量再利用统计方法获得校正后的测量距离[5,6], 为此本项目关心的是该测量系统单次测量情况下能够达到的精度, 表1中的数据是在线阵激光雷达正常工作情况下从多次实验中随机抽取的一组测量数据, 在此对该组测量数据进行分析。

表1中第一行中的距离值是用Leica公司毫米级精度激光测距仪测量获得, “GPX值”项是由TDC-GPX测得的16进制原始值, “转为时间值ps”项是由“GPX值转为10进制值×81 ps×通道校准系数”计算得到, 8个测量通道均使用Stanford Research Systems公司生产的5 ps分辨率数字延迟/脉冲发生器DG535进行校准获得“通道校准系数”。

根据表1观察到现象1:同一通道对同一被测距离的三次重复测量中差值最大处出现于通道6在10.010 m处的第一次测量与第三次测值的差, 为404 ps。由表1观察到现象2:不同测量通道对同一被测距离的测量中差值最大处出现于通道3在5.93 m处第一次测量值与通道6第一次测量值的差值, 为1 457 ps。从表1观察到现象3:不同测量通道对同一被测距离测量产生的测量最大差值显著大于同一通道对该被测距离测量产生的最大差值。产生现象1的初步原因可认为是半导体激光器发出的每一个激光脉冲不能保证完全相同所造成。产生现象2与现象3的主要原因在于:APD线阵探测器中各个APD单元接收到的激光回波来自不同的反射角度, 激光回波脉冲相比发射的激光脉冲会发生展宽和衰变, 从而引起本时间间隔测量系统各通道对停止信号鉴别时刻不同, 该问题应当通过改进图1中“放大及比较电路”来解决。同一通道和不同通道对同一距离测量的一致性问题将是本项目后续研究的重要问题之一。

注:GPX值为TDC-GPX测得的16进制原始值。

5 结论

本文设计并实现了8路高精度时间间隔的并行测量系统, 解决了1×8 APD线阵激光雷达同时测量8路激光飞行时间的问题。系统硬件由计时电路板和控制电路板构成, 具有通用性、互换性和扩展性。系统软件采用事件驱动模式编程有效节约控制板能耗, 结合循环FIFO和中断技术, 以准并行方式实现了8路测量数据读取和串行输出至PC机。通过实验可证明该系统的有效性, 由实验数据表明:不同通道对同一距离测量一致性误差小于2 ns, 同时还指出了本课题后续深入研究的一个问题。

摘要：设计并实现了8路高精度时间间隔并行测量系统, 解决了1×8雪崩光电二极管 (APD) 线阵激光雷达同时测量8路激光回波飞行时间的问题。系统硬件由计时板和控制板组成, 具有互换性和扩展性;计时板包含1片可测量8路激光飞行时间的TDC-GPX芯片;控制板包含1片ARM STM32处理器, 用于配置TDC-GPX芯片、读取测量数据、并上传数据至PC机。系统软件采用事件驱动模式编程, 并融合了循环FIFO数据结构与中断技术。由测距实验及数据分析表明:该系统稳定可靠, 不同通道距离测量一致性误差小于2 ns。

关键词：多通道时间间隔测量,线阵激光雷达,TDC-GPX,循环FIFO,事件驱动编程

参考文献

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光电二极管特性研究论文 篇4

1 常见的四种测量二极管的伏安特性曲线的方法

1.1 伏安法的内接法[1]和外接法[2]

利用伏安法的电流表内接法和电流表外接法对二极管的伏安特性进行测量时, 我们分别对这两种方法的实验电路图分析可知, 当利用这两种实验电路对二极管的电流电压进行测量时都会存在误差, 误差主要来源是由于电表内阻的接入而引起的。在实验中, 通过对外接法实验电路图的分析还可以知道, 当电流表电压表的测量值分别为I, U时, 由于电压表内阻的分流作用, 使得实际流经二极管RD的电流I'要小于I, 且存在以下关系:

⑴式中的RV表示电压表的内阻。

同样对内接法实验电路分析可知, 当电流电压表的测量示数分别为I, U时, 由于电流表内阻的分压作用使得二极管两边的实际电压U'

⑵式中的RV表示电流表的内阻。

1.2 补偿法和等效法

通过对补偿法测二极管伏安特性实验电路[4]分析可知, 补偿法的理论误差为零, 误差的大小主要取决于检流计的灵敏度和电表的精度, 与伏安法中的内、外接法相比, 当利用补偿法对二极管的电流电压进行测量时, 实验结果较为精准。在大学中由于在补偿法中引入电桥, 这就使得其测量误差几乎为零。

除了以上谈到的三种测量二极管伏安特性的方法之外, 通常我们还采用的一种方法是等效法, 等效法的方法是在测量二极管的伏安特性时利用一个可变电阻Ro来替代二极管RD, 达到一个等效替换的效果。等效法实验电路图与补偿法实验电路图相比, 特别是与电路图中引入了电桥[3]的补偿法实验电路图相比, 其电路图的连接更为简单, 操作也更为简便。由等效法实验电路[5]连接方式可以知道:若电流表示数为I, 则流经二极管的电流为ID, RO、RD存在如下关系:

2 四种方法测量二极管电流电压的结果

2.1 分别用四种方法来对二极管的的电流电压做了相应的测量得到表一中的数据

由表一我们可以清楚的看到当二极管两端电压在低于0.13m V的范围内, 对应相同的电压值, 电流表外接法所测得的电流都比其他三种的要大, 与电流表外接法相反的是, 在电压变化范围小于0.13m V的范围内, 电流表内接法所测得的对应电流均小于其他三种方法的测量结果。但是在电压变化大于0.13m V后, 四种方法测得的结果几乎相同。

2.2 利用表一中四种方法测得的实验数据绘出了下图一中U-I关系图

由图一我们可以清晰的看到, 外接法在整个测量过程中, 测量结果相对其他三种来说, 数据呈偏大趋势, 内接法和补偿法测得的伏安特性曲线较为接近, 通过对四条伏安特性曲线进行分析可以看到, 随着测量电压增大到某一后, 该四种方法测得的曲线几乎相吻合在一起。

3 分析与总结

通过比较分析表一和图一中的数据和图象, 我们可以清楚的看到外接法的实验数据与其他三种方法的所测的的数据相差较大, 在加压的整个区域, 相同电压下, 流经外接法的电流都比其他三种的偏大, 而内接法测得的电流与另外三种测量结果相比整个变化过程的电流相对较小。但是从实验数据和图像我们还可以观察到一个重要现象, 即无论是利用哪一种方法对二极管进行测量, 当电压增加到某一个值后它们的伏安特性曲线几乎都能重合, 并以相同的变化率变化。因此当在所有曲线保持相同变化率的这段曲线上任取一点做切线与横坐标的交点对应的电压我们称为该二极管的阈值电压[6], 它与二极管的材料有关。

综合分析以上四种测量方法, 我们认为由于在采用外接法测量得出的实验数据或伏安特性曲线变化较大, 等效法、电流表内接法和补偿法测量得的实验数据或伏安特性曲线波动较小, 并且相对吻合, 因此在对二极管的伏安特性曲线进行测量时, 当选择电流表内接法或补偿法测量后得的结果较为理想。

摘要：介绍了多种用于测量二极管伏安特性的方法, 我们利用四种方法分别测量同一个二极管的电流电压值, 并得出实验数据。用实验数据画出对应各个方法测得的二极管的伏安特性曲线, 最后通过对四种方法测得的伏安特性曲线图做出相应的分析给出测量最为精准的方法。

关键词：二极管,伏安特性曲线,伏安法,等效法

参考文献

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