專利名稱：一種可程控智能微電流測量顯示系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于半導(dǎo)體器件缺陷探測領(lǐng)域，具體涉及ー種可程控智能微電流測量顯不系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
當(dāng)今的電子電路中，以半導(dǎo)體器件占據(jù)主導(dǎo)。不 論對單個的MOS器件或是對超大規(guī)模集成電路，其中對各類微小電流變化的監(jiān)測已經(jīng)成為當(dāng)前用以探究器件功能和缺陷以及穩(wěn)定性的ー種途徑。就単一的MOS晶體管或特殊MOS電容器件而言，器件本身在設(shè)計以及生產(chǎn)過程中總會產(chǎn)生無法避免的缺陷。同時，微電子材料本身的某些特性也可能造成器件在工作時出現(xiàn)一定的性能退化，參數(shù)漂移等問題。對于這類現(xiàn)象，目前一般利用脈沖電壓對器件進行充放電測試，通過對器件充放電時因缺陷而導(dǎo)致的微電流進行測量，對其性能及可靠性進行分析評估。本實用新型對當(dāng)前的一類微電流放大儀器研究之后，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)存ー類微電流放大儀器存在以下ー些不足I.儀器本身造價昂貴，因而儀器的普遍適用性就會大大降低，高成本會増加科研的阻力。此類儀器往往功能相對單一，還需要信號發(fā)生器以及大型的外接示波器等儀器配合組成測量系統(tǒng)，増加了實驗難度和偶然誤差出現(xiàn)的概率，降低了實驗結(jié)果的可靠性。此類儀器往往多為手動實物按鈕設(shè)定參數(shù)，容易造成儀器損耗，還會降低測試效率。

實用新型內(nèi)容本實用新型目的是提供ー種對微電流信號的系統(tǒng)性智能測量系統(tǒng)，通過計算機及數(shù)據(jù)通信技術(shù)實現(xiàn)整個電子測量系統(tǒng)的自動化，高精度化，實時性，可重復(fù)性，以及高效性。使得高頻探測下的微小電流信號能被準確放大并轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)過濾波處理之后，再由數(shù)字電路將信號傳送至計算機上的波形顯示數(shù)字軟件，整個過程亦具有高靈敏度，低延遲的特點。其中，放大增益與濾波參數(shù)調(diào)節(jié)以及顯示方式須由計算機程控完成。本實用新型的技術(shù)方案是ー種可程控智能微電流測量顯示系統(tǒng)，其特征在干，包括計算機控制模塊、顯示模塊、通信模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、微電流測量系統(tǒng)程控模塊、可程控電流信號放大模塊以及可程控濾波模塊，待測微電流信號輸入所述可程控電流信號放大模塊，完成放大后并轉(zhuǎn)為電壓信號輸入可程控濾波模塊進行濾波，濾波后的信號通過A/D轉(zhuǎn)換模塊以及通信模塊輸入到顯示模塊并進行顯示，所述可程控電流信號放大模塊、可程控濾波模塊以及A/D轉(zhuǎn)換模塊均由微電流測量系統(tǒng)程控模塊控制，所述計算機控制模塊通過通信模塊控制微電流測量系統(tǒng)程控模塊。進ー步的，所述可程控電流信號放大模塊包括放大器、調(diào)零電路以及“ T”型電阻網(wǎng)絡(luò)及其模擬開關(guān)電路，所述調(diào)零電路與放大器正相輸入端相連，“T”型電阻網(wǎng)絡(luò)及其模擬開關(guān)電路連接在放大器負相輸入端和放大器輸出端之間，微電流測量系統(tǒng)程控模塊控制“ T”型電阻網(wǎng)絡(luò)及其模擬開關(guān)電路。進ー步的，所述可程控濾波模塊包括，模擬開關(guān)電路、帶阻濾波器以及帶通濾波器，微電流測量系統(tǒng)程控模塊通過模擬開關(guān)電路控制帶阻濾波器以及帶通濾波器。進ー步的，所述帶通濾波器由單電源供電軌至軌運算放大器組建的高通貝賽型濾波器和低通貝賽型濾波器組成。進ー步的，所述微電流測量系統(tǒng)程控模塊的核心數(shù)字信號處理器為FPGA。 進ー步的，所述通信模塊的接ロ為RS232通信接ロ。相對于傳統(tǒng)現(xiàn)存微電流測量儀器而言，本實用新型的優(yōu)勢之處在于本測量系統(tǒng)儀器本身造價低成本，因而儀器的普遍適用性就會大大提升，低成本能降低價格對科研的阻力。同時，本測量系統(tǒng)功能全面，放大增益可調(diào)范圍廣，濾波模塊精度高；并擁有模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換功能，實現(xiàn)了計算機輔助測量，且外接示波器可同時配合使用，在兩種顯示方式的參照下，提升了測量的可靠性。此外，本儀器為計算機直接程控測量系統(tǒng)，無需手動調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)精準且高效。本實用新型的優(yōu)點是I.微電流放大器的増益調(diào)節(jié)，帶阻濾波器和帶通濾波器的帶寬調(diào)節(jié)都可直接在計算機屏幕上設(shè)置，極大的提升了系統(tǒng)測量的效率和可重復(fù)性。同時減少了因儀器實物調(diào)節(jié)導(dǎo)致的器件損耗。相比于普通電流放大器，本實用新型的“T”型電路結(jié)構(gòu)既達到了噪聲的控制又可對增益進行大范圍調(diào)節(jié)和小范圍調(diào)節(jié)，總體的放大范圍可從10的5次方倍到10的9次方倍。本系統(tǒng)在后期PCB設(shè)計的過程中，可將涉及到的所有芯片按照相關(guān)原理布局在同ー塊PCB板上，減少了人為手動自搭電路的環(huán)節(jié)，降低了偶然誤差的出現(xiàn)概率，保證了實驗結(jié)果的精度。同時也為測量系統(tǒng)的便攜提供了保障。本實用新型對于模擬電路小信號處理時可能存在的放大器無法準確判斷接近參考電壓(地電壓)的信號的問題，采用了在有源濾波過程中，使用單電源供電技術(shù)的軌至軌放大器，抬高參考電壓，使得放大器能準確判斷信號大小，降低了放大器輸出誤差。本實用新型既有模擬信號測量輸出端，又有數(shù)字信號輸出端，這樣保證了實驗過程中，可將計算機顯示模塊中的結(jié)果與外接示波器上的結(jié)果進行對比，從而保障了實驗數(shù)據(jù)的有效性，提高了系統(tǒng)的可靠程度。本系統(tǒng)提供可程控選擇50赫茲或60赫茲帶阻濾波器，這使得系統(tǒng)抗供電頻率干擾的能力范圍的提高，說明了本測量系統(tǒng)在不同頻率的供電地區(qū)的適應(yīng)性。
以下結(jié)合附圖
及實施例對本實用新型作進ー步描述圖I為本實用新型的可程控智能微電流測量顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。圖2為本實用新型的可程控智能微電流測量顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。圖3為本實用新型的可程控智能微電流測量顯示系統(tǒng)工作流程圖。
具體實施方式
[0025]實施例如圖I、圖2所示的可程控智能微電流測量顯示系統(tǒng)由模擬信號處理，數(shù)字信號處理和計算機用戶界面三大部分組成。可程控電流信號放大模塊和可程控濾波模塊通過微電流測量系統(tǒng)程控模塊可直接被計算機控制模塊控制，模擬信號處理結(jié)束后亦可通過模擬/數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換模塊經(jīng)由通信模塊中的RS232接ロ向計算機顯示模塊提供數(shù)據(jù)以顯示波形?？沙炭仉娏餍盘柗糯竽K直接控制信號來源于微處理模塊，待測微電流信號由同軸線引入模塊，完成放大后并轉(zhuǎn)為電壓信號并輸入可程控濾波模塊?？沙炭貫V波模塊直接控制信號來源于微電流測量系統(tǒng)程控模塊，濾波模塊按印刷電路板(PCB)布局原理連接在放大模塊輸出ロ，對放大后的電壓信號進行濾波處理。上述模塊都按照印刷電路板(PCB)布局原理印制在同一塊電路板上，并留有控制信號輸入端，測量信號數(shù)字輸出端，待測信號模擬輸入端和測量信號模擬輸出端，從而實現(xiàn)測量全過程的自動化。計算機控制模塊中計算機屏幕上的用戶界面設(shè)置有調(diào)節(jié)可程控電流信號放大模塊放大增益的按鍵?？沙炭仉娏餍盘柗糯竽K中“ T”型電阻網(wǎng)絡(luò)及其模擬開關(guān)電路由微電流測量系統(tǒng)程控模塊直接控制選通路徑達到増益的選定。計算機控制模塊中計算機屏幕上的用戶界面設(shè)置有選擇本測量系統(tǒng)被使用地區(qū)交流電供電頻率(50赫茲或60赫茲)的按鍵。計算機控制模塊中計算機屏幕·上的用戶界面設(shè)置有選擇可程控濾波模塊中帶通截止頻率范圍的按鍵。可程控濾波模塊中的模擬開關(guān)電路由微電流測量系統(tǒng)程控模塊直接控制選通路徑達到帶阻濾波頻率和帶通截止頻率的設(shè)定。可程控濾波模塊中帶通濾波器由單電源供電軌至軌運算放大器組建的高通貝賽型濾波器和低通貝賽型濾波器共同構(gòu)建完成。計算機控制模塊中計算機屏幕上的用戶界面設(shè)置有選擇測量信號(測量信號數(shù)字輸出端或測量信號模擬輸出端)輸出接ロ的按鍵。工作狀態(tài)時，用戶在完成系統(tǒng)初始化及電源開啟后，利用安裝在計算機上的控制軟件(ー種利用C&C++編寫的作為操作界面的控制軟件)，選擇相關(guān)參數(shù)按鍵，首先通過ー個基于RS232接ロ的通信模塊向微電流測量系統(tǒng)程控模塊發(fā)送ASC II碼指令。選由FPGA作為核心數(shù)字信號處理器的微電流測量系統(tǒng)程控模塊將轉(zhuǎn)換信號電平以達到微處理模塊對計算機指令的識別。進而微電流測量系統(tǒng)程控模塊對所控制的模擬開關(guān)電路發(fā)出控制信號。此模擬開關(guān)電路是由微電流測量系統(tǒng)程控模塊所控制的放大模塊和濾波模塊的一部分，因此起到了程控信號控制模擬電路模塊的目的。當(dāng)按照一定選通開關(guān)組件后，電流信號放大模塊和電流信號濾波模塊的電路功能可確定，特性可確定。僅當(dāng)下一次計算機調(diào)控指令發(fā)出，模擬電路模塊參數(shù)才會再次相應(yīng)地調(diào)整。用戶設(shè)定結(jié)束后，放入待測樣品，由外接信號發(fā)生器對待測樣品施加脈沖電壓，生成待測微電流信號。微電流信號進入待測信號模擬輸入端，信號將流經(jīng)設(shè)定的路徑并按相應(yīng)的要求放大并轉(zhuǎn)化成電壓信號。電壓信號進入可程控濾波模塊，按照相關(guān)設(shè)定完成濾波。模擬電路部分工作結(jié)束。模擬信號處理結(jié)束后，若不開啟計算機顯示模塊而是直接使用外接示波器，此時A/D轉(zhuǎn)換功能中的A/D芯片的使能端將被設(shè)置在高電平，使得A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸入端成高阻態(tài)，即不啟動模擬數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換模塊。此設(shè)定同樣如前所述，將設(shè)計有計算機控制軟件上的選擇按鍵。另ー方面，信號可直接從測量信號模擬輸出端引出并顯示在外接示波器上。在沒有外接顯示儀器的輔助下，需要啟動計算機顯示模塊。其中虛擬儀器應(yīng)用軟件開發(fā)工具LabVIEW可被采用，其是ー種由美國國家儀器公司開發(fā)推出的采用圖形化編程技術(shù)的虛擬開發(fā)軟件。濾波完成的模擬信號進入A/D轉(zhuǎn)換模塊。A/D轉(zhuǎn)換模塊中的A/D芯片需有基準電壓參考，并且A/D芯片時鐘信號端ロ連接微電流測量系統(tǒng)程控模塊，同時A/D芯片在使能端低電平的情況下，完成A/D轉(zhuǎn)換，輸出ー個串行的ニ進制數(shù)字信號。該串行數(shù)字信號繼續(xù)輸入通信模塊中的串ロ調(diào)節(jié)芯片輸入端，在微電流測量系統(tǒng)程控模塊的輔助下，實現(xiàn)信號電平轉(zhuǎn)換，并由RS232通信接ロ傳回計算機。最后利用計算機顯示模塊中的虛擬儀器開發(fā)軟件實現(xiàn)波形的顯示。如圖3所示，本實用新型可程控智能微電流測量和顯示系統(tǒng)測量方法流程，對ー次完整的測量過程按步驟闡述。初始開機，連接系統(tǒng)與其他儀器后，設(shè)定測量功能，進而放入待測樣品，進行測試，最后實現(xiàn)放大，濾波，顯示。以上實施例僅為本實用新型其中的一種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本實用新型專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實用新型構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本實用新型的保護范圍。因此，本實用新型專利的保護范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準。
權(quán)利要求1.ー種可程控智能微電流測量顯示系統(tǒng)，其特征在于，包括計算機控制模塊、顯示模塊、通信模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、微電流測量系統(tǒng)程控模塊、可程控電流信號放大模塊以及可程控濾波模塊，待測微電流信號輸入所述可程控電流信號放大模塊，完成放大后并轉(zhuǎn)為電壓信號輸入可程控濾波模塊進行濾波，濾波后的信號通過A/D轉(zhuǎn)換模塊以及通信模塊輸入到顯示模塊并進行顯示，所述可程控電流信號放大模塊、可程控濾波模塊以及A/D轉(zhuǎn)換模塊均由微電流測量系統(tǒng)程控模塊控制，所述計算機控制模塊通過通信模塊控制微電流測量系統(tǒng)程控模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的可程控智能微電流測量顯示系統(tǒng)，其特征在于，所述可程控電流信號放大模塊包括放大器、調(diào)零電路以及“ T”型電阻網(wǎng)絡(luò)及其模擬開關(guān)電路，所述調(diào)零電路與放大器正相輸入端相連，“T”型電阻網(wǎng)絡(luò)及其模擬開關(guān)電路連接在放大器負相輸入端和放大器輸出端之間，微電流測量系統(tǒng)程控模塊控制“ T”型電阻網(wǎng)絡(luò)及其模擬開關(guān)電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的可程控智能微電流測量顯示系統(tǒng)，其特征在于，所述可程控濾波模塊包括，模擬開關(guān)電路、帶阻濾波器以及帶通濾波器，微電流測量系統(tǒng)程控模塊通過模擬開關(guān)電路控制帶阻濾波器以及帶通濾波器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的可程控智能微電流測量顯示系統(tǒng)，其特征在于，所述帶通濾波器由單電源供電軌至軌運算放大器組建的高通貝賽型濾波器和低通貝賽型濾波器組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的可程控智能微電流測量顯示系統(tǒng)，其特征在于，所述微電流測量系統(tǒng)程控模塊的核心數(shù)字信號處理器為FPGA。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的可程控智能微電流測量顯示系統(tǒng)，其特征在于，所述通信模塊的接ロ為RS232通信接ロ。
專利摘要本實用新型公開了一種可程控智能微電流測量顯示系統(tǒng)，其特征在于，包括計算機控制模塊、顯示模塊、通信模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、微電流測量系統(tǒng)程控模塊、可程控電流信號放大模塊以及可程控濾波模塊，待測微電流信號輸入所述可程控電流信號放大模塊，完成放大后并轉(zhuǎn)為電壓信號輸入可程控濾波模塊進行濾波，濾波后的信號通過A/D轉(zhuǎn)換模塊以及通信模塊輸入到顯示模塊并進行顯示，所述可程控電流信號放大模塊、可程控濾波模塊以及A/D轉(zhuǎn)換模塊均由微電流測量系統(tǒng)程控模塊控制，所述計算機控制模塊通過通信模塊控制微電流測量系統(tǒng)程控模塊。本測量系統(tǒng)儀器本身造價低成本，因而儀器的普遍適用性就會大大提升，低成本能降低價格對科研的阻力。
文檔編號G01R19/25GK202433440SQ20112054587
公開日2012年9月12日 申請日期2011年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月23日
發(fā)明者桑遲, 趙策洲, 魏小莽 申請人:西交利物浦大學(xué)