Дипломна робота спеціаліста групи КСМзсд-52

Луцького Михайла Ярославовича

Вимірювальний канал ультрафіолетових фотодіодів на базі мікроконвертора

Вступ

1. Аналіз засобів і систем вимірювання сигналів фотодіодів

   1. Характеристики ультрафіолетових фотодіодів

   2. Узагальнена структура засобів і систем вимірювання сигналів фотодіодів

   3. Огляд відомих засобів і систем вимірювання сигналів фотодіодів

   4. Аналіз технічного завдання та шляхи вдосконалення засобів і систем вимірювання сигналів фотодіодів

2. Синтез структури універсального вимірювального каналу ультрафіолетових фотодіодів

   1. Основні режими роботи каналу вимірювання сигналів фотодіодів

   2. Вибір елементної бази для побудови універсального вимірювального каналу

   3. Синтез структурної схеми універсального вимірювального каналу

   4. Розроблення принципової схеми вимірювального каналу

3. Розроблення універсального вимірювального каналу

   1. Розрахунок елементів принципової схеми вимірювального каналу

   2. Дослідження моделі принципової схеми універсального вимірювального каналу

   3. Конструкція універсального вимірювального каналу ультрафіолетових фотодіодів

   4. Алгоритм збору даних

   5. Алгоритм оброблення даних

Висновки

Список посилань

Додатки

Керівник В.В.Кочан

Дипломна робота спеціаліста групи КСМзсд-52

Луцького Михайла Ярославовича

Вимірювальний канал ультрафіолетових фотодіодів на базі мікроконвертора

2 Синтез структури універсального вимірювального каналу ультрафіолетових фотодіодів

2.1 Основні режими роботи каналу вимірювання сигналів фотодіодів

Як сенсор ультрафіолетового випромінювання, згідно проведеного в першому розділі огляду виберемо фотодіод типу ААА фірми Hamamatzu, Японія. Цей фотодіод відрізняється оптимальними співвідношеннями чутливості до ультрафіолетового випромінювання, потрібною спектральною характеристикою (рис. 1.1), відносно низьким рівнем шумів та невисокою ціною. Всі перелічені вище переваги фотодіода типу ААА проявляються при його роботі у режимі короткого замикання, який зручно реалізувати за допомогою відповідного ввімкнення операційного підсилювача. Відповідна схема подана на рисунку 2.1. Вихідну напругуопераційного підсилювача ОП1 можна знайти за формулою [34]

, (2.1)

де – струм фотодіода FD;

–опір резистора R1.

Рисунок 2.1 – Реалізація режиму короткого замикання фотодіода за допомогою операційного підсилювача

Знак мінус перед дужками у формулі (2.1) означає, що полярність вихідної напруги при такому ввімкненні фотодіода буде протилежною від напруги на ньому, якщо він був би ввімкнений не у режимі короткого замикання, а у фотогенераторному режимі.

Основними недоліками фотодіода цього типу (а також всіх інших типів фотодіодів) можна віднести:

1. великий початковий розкид параметрів, зокрема функції перетворення – залежності вихідного струму від освітленості;

2. великий вплив температури на функцію перетворення. Слід відзначити, що залежність функції перетворення від температури є не тільки досить значною, а ще є і нелінійною функцією освітленості, тобто температурний коефіцієнт фотодіода не є сталою величиною, а залежить від освітленості фотодіода.

Вказана залежність температурного коефіцієнта фотодіодів від рівня освітленості не дає змоги отримати значне підвищення точності при переході до індивідуальної функції перетворення фотодіода. В цьому випадку для кожної робочої температури необхідна була би своя індивідуальна функція перетворення. Таким чином, фотодіод при роботі в достатньо широкому діапазоні температур стає багатопараметричним сенсором – його вихідний сигнал (струм короткого замикання) суттєво залежить від двох фізичних величин – освітленості та температури.

Якщо не розглядати фотодіод як багатопараметричний сенсор, то для підвищення точності визначення освітленості можна термостатувати фотодіод, як це показано на рисунку 2.2. Такий метод використовується виробниками інформаційно-вимірювальних систем ультрафіолетового випромінювання доволі широко. Однак в цьому випадку не вдасться добитися високої точності через те, що вимірюване ультрафіолетове випромінювання нагріває сам кристал фотодіода. Хоча фірма Hamamatsu, для підвищення точності вимірювання ультрафіолетового випромінювання, розміщує сенсор температури (термодіод) в корпусі самого фотодіода. Але таке розміщення, хоча і зменшує різницю температури між кристалом фотодіода та сенсором температури, проте не виключає наявності цієї різниці. При цьому така різниця носить випадковий характер, оскільки залежить від інтенсивності вимірюваного ультрафіолетового випромінювання та від умов охолодження корпуса фотодіода. Тому слід відзначити, що метод термостатування фотодіода має принциповий недолік.

Рис. 2.2. Метод корекції температурної похибки фотодіода шляхом термостатування

Іншим шляхом підвищення точності вимірювання ультрафіолетового випромінювання є корекція температури кристала фотодіода (рис. 2.3). Для усунення недоліку методу термостатування пропонується використати як сенсор температури сам фотодіод. В такому випадку різниця температур між кристалом і сенсором принципово відсутня. Треба також відзначити, що таке рішення є достатньо простим апаратно і дає малі постійні затрати при виробництві.

Але сам метод корекції є доволі складним. Це пов’язане з тим, що, як показано в першому розділі:

1. температурний коефіцієнт струму короткого замикання фотодіодів ультрафіолетового випромінювання є великим, що вимагає високої точності корекції;

2. температурний коефіцієнт струму короткого замикання фотодіодів ультрафіолетового випромінювання залежить від освітленості.

Ці дві обставини суттєво ускладнюють проведення корекції. Однак складність методу корекції визначає лише разові затрати на його розроблення.

Рис. 2.3. Метод корекції температурної похибки фотодіода шляхом вимірювання температури кристала фотодіода

Відповідно до переваг і недоліків розглянутих методів корекції впливу температури на фотодіод вибираємо за основу вимірювального каналу температури розроблюваної інформаційно-вимірювальної системи ультрафіолетового випромінювання другий метод.

Однак, слід відзначити, що, на відміну від вимірювального каналу освітленості, де фотодіод повинен працювати, по-перше, при відсутності світлового потоку (це досягається штатними засобами самого фотодіодного сенсора, при вимірюванні освітленості вимірюють також генерований в темновому режимі струм, тому фотодіодний сенсор оснащений відповідною шторкою), а, по-друге, при вимірюванні температури фотодіод повинен працювати в режимі без навантаження (неробочого ходу), а не в режимі короткого замикання. При цьому вимірюється напруга на фотодіоді при проходженні через нього заданого струму (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Метод вимірювання температурної фотодіода шляхом вимірювання напруги на ньому при заданому струмі

Необхідно відзначити, що до стабілізатора струму в схемі рис. 2.4 ставляться жорсткі та доволі суперечливі вимоги:

1. мале власне споживання енергії (вимога економії енергії через живлення інформаційно-вимірювальних систем від автономного джерела);

2. мала вартість – стабілізатор входить в постійні затрати при випуску інформаційно-вимірювальних систем;

3. необхідність відносно високої стабільності вихідного струму – ця нестабільність струму веде до виникнення похибки вимірювання температури через зміну спаду напруги на динамічному опорі фотодіода. Ця буде значною бо що вимога економії енергії (через автономне живлення інформаційно-вимірювальної системи) змушує фотодіод працювати під час вимірювання температури при малому робочому струмі, коли динамічний опір фотодіода значно зростає. А збільшувати струм фотодіода, навіть знехтувавши ;

Однак спеціалізовані мікросхеми стабілізаторів струму не випускаються. А стабілізатори струму на дискретних елементах будуть досить складними і дорогими через те, що вони мають мати відносно високу точність і ввійдуть в ціну приладу як постійні затрати. Тому більш перспективною є схема рис. 2.5, де струм фотодіода при вимірюванні температури не стабілізується, а вимірюється і потім його дійсне значення (або відхилення від номінального значення) враховується при обробленні результатів вимірювання температури. Хоча такий метод вимірювання температури кристала фотодіода значно ускладнює оброблення результатів вимірювання, він є вигідним, бо алгоритм і програма визначення температури розробляються один раз при розробленні інформаційно-вимірювальної системи і затрати на цю розробку складають разові затрати.

Рис. 2.5. Метод вимірювання температурної фотодіода шляхом вимірювання його струму та напруги на ньому