1. Постановка задачи

Была поставлена задача создания измерителя вольтамперных характеристик на основе использования экономичной платы USB 6008 для использования в учебных целях.

2. ВУЗ, кафедра или предприятие, на котором внедрено решение

Предполагается внедрение в КГТУ им. А.Н.Туполева на кафедре РИИТ в качестве макета для лабораторной работы.

3. Описание решения

В условиях все возрастающей компьютеризации все большее распространение получают виртуальные приборы - приборы, созданные на базе компьютера, устройства ввода/вывода и соответствующего программного обеспечения [1]. Важными достоинствами таких приборов являются: легкость их перестройки (адаптации) под конкретные измеряемые величины и их значения; возможность использования различных видов обработки, индикации и документирования результатов измерения; простота автоматизации процедуры измерения. Вместе с тем, цена виртуального прибора в большой степени определяется стоимостью универсальной платы, которая может превышать стоимость компьютера.

При использовании виртуальных приборов в образовании основной целью является овладение обучающимися специфическими знаниями и навыками, и второстепенное значение имеет точность получаемых результатов. Поэтому для исследования была выбрана самая доступная из всех плат фирмы National Instruments - USB 6008. в качестве программной среды используется LabVIEW - программа, обладающая широкими возможностями обработки получаемых сигналов и индикации полученной информации, кроме того, она позволяет выполнять панель управления в виде панели управления традиционного прибора.

Особенностью измерения ВАХ фотоэлементов является зависимость ее от освещенности. Поэтому схема автоматического снятия ВАХ фотоэлементов должна обеспечивать изменение не только воздействующего напряжения, но и освещенности. Используемая схема измерителя ВАХ фотоэлементов показана на рисунке 1.

Рисунок 1

Устройство работает следующим образом: компьютер формирует два воздействующих сигнала, первый из которых представляет собой линейно-изменяющееся напряжение, поступающее на исследуемый фотоэлемент, второй - постоянное напряжение, поступающее на светодиод для задания освещенности фотоэлемента. Вывод сформированного в компьютере сигнала осуществляется через плату ввода/вывода, она служит также для приема выходного тока фотоэлемента. В результате обработки в компьютере вычисляется одна из кривых семейства вольтамперных зависимостей. Число получаемых кривых зависит от числа подаваемых на светодиод значений воздействующего напряжения.

Внешняя панель виртуального прибора показана на рисунке 2.

Рисунок 2

На панели виртуального прибора 5 элементов управления. Два элемента вверху задают диапазон изменения воздействующего напряжения, три элемента слева задают диапазон и шаг изменения освещенности. Полученная ВАХ фотоэлемента отображается на осциллографе в правой части прибора.

Ограничения на точность формирования и приема сигнала накладываются используемым аппаратным обеспечением. Выбранная плата ввода/вывода USB 6008 является 12-ти разрядным устройством, диапазон выходного напряжения ЦАП которого находится в пределах от 0 до 5 В, шаг квантования можно вычислить по формуле ∆ = ∆U/2ⁿ ~ 1мВ. Диапазон входного напряжения АЦП лежит в пределах от -10 до 10 В, шаг квантования по той же формуле А ~ 5 мВ. Учитывая большую величину шага квантования АЦП, необходимо предварительное усиление сигнала фотоэлемента.

Усиление можно проводить при помощи обычного преобразователя тока в напряжение на операционном усилителе, схема которого показана на рисунке 3. работа преобразователя поясняется формулой U_вых = i_вх ·R. Выбор резистора R осуществляется исходя из соображений оптимального усиления, то есть такого, при котором максимальное значение выходного сигнала преобразователя лежит как можно ближе к максимальному значению входного напряжения АЦП платы ввода/вывода.

Рисунок 3

Работа измерителя ВАХ фотоэлементов была проверена при помощи математической модели фотодиода. Полученное семейство кривых показано на рисунке 4.

Рисунок 4

Соответствие полученных результатов теоретическим зависимостям говорит о корректности работы измерителя ВАХ фотоэлементов.

Измеритель состоит из компьютера платы ввода/вывода USB 6008 и преобразователя ток напряжение. Заданные при помощи компьютера параметры воздействующих сигналов выводятся при помощи платы USB 6008, поступают на исследуемый фотоэлемент, его выходной сигнал поступает на преобразователь ток/напряжение, далее оцифровывается при помощи той же платы, обрабатывается в компьютере. В результате на экране осциллографа отображается снятое в автоматическом режиме семейство ВАХ фотоэлемента.

Макет для лабораторной работы, упрощающий исследование ВАХ фотоэлементов и полностью исключающий человеческий фактор вносимый в общую погрешность измерений.

4. Перспективы внедрения и развития решения - отрасли, названия предприятий, и т.п.

Измеритель ВАХ фотоэлементов может быть использован в лабораторном макете.

5. Используемое оборудование и программное обеспечение National Instruments

USB 6008, LabVIEW.

6. Список литературы

Лещев Л.Н. Основы LabVIEW, Санкт-Петербург: БХВ-Петербург, 2004, 468с

....................................................................................................