基于虚拟仪器的电阻——温度测试分析系统

[摘要]采用虚拟仪器软件开发环境LabVIEW开发了应用于材料电阻－温度测试分析的实验系统。计算机与恒流源、电压表和温控仪之间的通讯采用GPIB并行接口。测试数据经分析处理后存储到用户指定文件，并利用LabVIEW的chart对象在主窗口中实时显示。该测试系统已成功应用于半导体材料电输运性能测试。

[关键词]虚拟仪器 电阻温度测试分析系统 LabVIEW GPIB

中图分类号：TP216 文献标识码：A 文章编号：1671－7597(2008)0810042－02

一、引言

半导体材料的电输运性能是决定其应用的关键因素之一[1]，因此，在研究这类材料时需对其电输运性能进行准确、快速的测量。本文基于LabVIEW构建了材料电输运性能虚拟仪器测试系统，可以实现10K～320K直流R-T曲线测量。该系统结合测试理论、仪器原理和技术、图形化软件编程技术于一身，具有成本低、操作方便等优点。

二、测试系统原理

此R-T曲线测量系统采用四探针法对样品的电阻率进行测量，如图1所示，两根电流引线1、4接恒流源，另两根电压引线2、3接电压表，引线与样品之间的接触为欧姆接触。

计算机通过PCI-3488接口卡从恒流源和电压表实时采集样品的电流I和电压V，根据公式ρ＝(V/I)C求得样品的电阻率ρ，式中C为电阻率的修正因子，由引线几何位置决定。同时，计算机与温度控制器通信，实时同步采集和控制样品当前温度。

三、系统硬件设计

（一）系统硬件组成

本测试系统的硬件结构如图2所示，计算机通过一块PCI-2488接口卡与恒流源、电压表以及温度控制器相连，构成完整的数据采集系统。此外，系统还拥有真空系统，用于使样品室在测试过程中保持较高真空状态，压缩制冷机与温度控制器联合工作使测试可在10K～320K温度范围内进行。

（二）系统硬件接口

仪器常用的接口有RS-232串行接口和GPIB（General purpose interface bus，也称IEEE-488）接口。大多数微机都有一至两个串行通讯接口，因此，串行通讯非常流行，但一个串行接口只能与一个设备进行通讯，因此本系统采用GPIB接口。GPIB是一个数字化的24线并行总线，它包括8条数据线，5条控制线（ATN、EOI、IFC、REN 和SRQ），3条握手线和8条地线。GPIB作为组建自动测试系统的通用国际标准接口，用途广、功能强，特别适用于实时控制与快速数据采集等场合。由于计算机内部总线标准与GPIB总线标准完全不同，典型的GPIB测试系统由计算机、GPIB接口卡和若干台（最多14台）GPIB仪器通过标准GPIB电缆连接而成。每个设备，包括计算机接口卡，必须有一个0～30之间的GPIB地址，同一系统中每个设备的GPIB地址不能相同[2]。

四、系统软件设计

（一）LabVIEW及虚拟仪器简介

LabVIEW是一种图形化编程语言，广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件，其功能强大且应用灵活。其编写的程序称为虚拟仪器VI（Virtual Instrument），以.vi后缀。虚拟仪器由两部分组成：前面板和流程图（或称后面板）。前面板是图形用户界面，等效于传统测试仪器的前面板，流程图等效于传统测试仪器的硬件电路[3, 4]。

（二）虚拟仪器软件设计

软件开发是虚拟仪器开发的关键，良好的虚拟仪器软件平台可以充分发挥计算机强大的数据处理功能和丰富的图形显示功能，实现数据的采集、存储、显示和分析。本测试系统的软件流程图如图3所示。

本系统中各GPIB仪器的初始化以及数据采集均封装在子VI中实现。测试系统运行后，主VI调用各子VI初始化各GPIB仪器，然后按用户指定的升（降）温速率控制样品温度从起始温度变化至最终温度。在此过程中，计算机实时同步采集样品的电流、电压和温度，通过计算转换成电阻并利用chart图表实时显示电阻随温度的变化趋势，同时将电阻－温度数据存储于用户指定的文件中。当样品温度到达最终温度±0.2℃的范围之内后，近似认为已经到达最终温度，程序终止，关闭所有GPIB仪器。程序运行过程中，用户也可通过前面板的“ON/OFF”控制开关随时中止程序。

本测试系统的控制前面板如图4所示，主要包含以下几个功能区：

参数设置区：在该功能区中，允许用户输入初始温度、升（降）温速率、最终温度、测试电流、采样间隔时间、样品描述、数据文件存储路径等信息，由“ON/OFF”控制开关启动程序，程序运行时根据上述参数初始化GPIB仪器，这些参数也被存储在用户指定的数据文件中。

R-T曲线实时显示区：在程序运行过程中，实时动态地显示样品电阻随温度的变化趋势。该功能利用LabVIEW中的chart对象实现。

程序升（降）温速率与实际升（降）温速率对比显示区：用于直观地比较实际升（降）温速率与程序升（降）温速率之间的差距，便于用户及时调整控制参数、预算测试时间。

错误信息显示区：显示程序运行过程中仪器的出错信息。

五、结论

本文基于LabVIEW软件平台以及GPIB总线接口技术，设计并建立了一套R-T曲线虚拟仪器测试分析系统。经实际使用证明，该系统操作简单明了，显示直观，测试数据准确可靠，与用传统语言编写的软件相比，其开发周期明显缩短，效率大大提高，体现了LabVIEW在测控仪器与装置领域的强大优势。

参考文献：

[1]刘恩科, 朱秉升, 罗晋生等.半导体物理学[M].北京: 国防工业出版社.1997: 34 - 48.

[2]侯国屏, 王珅, 叶齐鑫. LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计[M].北京: 清华大学出版社, 2005: 1 - 9.

[3]侯国屏, 王珅, 叶齐鑫. LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计[M].北京: 清华大学出版社, 2005: 259 - 266.

[4]吴桂初, 李晓淼. 基于LabVIEW的虚拟逻辑分析仪[J].自动化仪表, 2002, 23(8): 25 - 28.

作者简介：

张连姣，助教， 2003年毕业于湖南师范大学计算机科学与技术专业，2003年8月始于广东省河源职业技术学院电子与信息工程系任教至今。