一种基于PXI的雪崩光电探测器电学特性测试系统的制作方法

本发明涉及一种基于pxi的雪崩光电探测器电学特性测试系统。

背景技术：

在很多涉及光电转换的应用场合，如量子通信，导弹预警等，光信号非常微弱，需要高增益的器件探器件进行探测。目前市场主流使用的光电倍增管有着高增益、低暗计数和技术成熟等优点，但其价格昂贵，体积巨大，工作电压高等缺点限制了其进一步发展。而工作在盖格模式下的雪崩光电二极管(avalanchephotodiodes,apds)，在高反偏电压下，利用雪崩效应提供极高的内增益，并且具有如下优点：响应速度快，工作电压低(一般在200v以下)，体积小，能耗低，可靠性高，并且可以与其它半导体器件集成，成为微弱光信号最有可能的替代产品。其原理是在雪崩器件上加一个反偏的高电压，形成大电场，当有一个光子进入这个区域，激发出电子空穴对后，在大电场中加速获得足够高的动量，通过碰撞离化效应，进一步产生大量的电子空穴对，将器件中的电流增大到一个可以观测的量级，从而得到单光子探测的结果。

由于雪崩光电二极管件涉及到高偏压大电场的测试环境，并同时包括半导体器件通用的电流电压测试和雪崩光电二极管独有的单光子计数领域的测试，需要调用大量的设备，不同测试项目的外围电路也有所区别，需要分成多个测试项目进行操作，造成了测试的低效性。因此，当前急需开发出一种基于labview和pxi雪崩光电二极管的测试系统，提高其集成度和自动化。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于labview和pxi(pciextensionsforinstrumentation，面向仪器系统的pci扩展)的雪崩光电二极管电学特性测试系统。为了使本测试系统具有较高的集成度和自动化，能够对雪崩光电二极管进行全面快速的测试，并对测试结果进行有效保存，本系统利用美国国家仪器的软硬件系列产品和一块自行研制的多功能外围电路板以及led光源，根据雪崩器件测试所需要的各种模拟、数字、开关等各种信号参数，采用ni的pxi板卡连接外配套的外围电路，并在此基础上，通过labview图形化程序编写平台对整个测试系统进行开发，最终提供一个完整的雪崩光电二极管的测试系统。

为了解决上述技术问题，本发明基于labview和pxi的雪崩光电二极管电学特性测试系统实现的技术方案包括pxi硬件平台、多功能外围电路板和led光源；所述pxi硬件平台包括用于输出电压源和电流表的源测量板卡、用于采集电压的模拟信号的示波器板卡，上述两个板卡通过pxi插槽与控制器板卡相连接，并通过信号连接线与多功能外围电路板相连。所述led光源与多功能外围电路板通过光纤相连。

所述用于输出电压源和电流表的源测量板卡型号为pxie-4135；所述用于采集电压的模拟信号的示波器板卡型号为pxie-5114；所述控制器板卡型号为pxie-8840。

系统还包括负责测试被测雪崩光电二极管的labview图形化编程平台。

所述多功能外围电路板包括猝灭电阻、雪崩光电二极管插座、采样电阻、运算放大器、比较器以及配套的开关s1和s2、电阻和电容，所述猝灭电阻一端命名为接口1，连接外部电压输入；猝灭电阻另一端命名为接口2，连接雪崩光电二极管的一端，雪崩光电二极管的另一端命名为接口3，连接采样电阻的一端，并连接运算放大器的输入端；运算放大器的输出端命名为接口4，连接比较器的输入端；比较器的输出端命名为接口5，连接外部电路；采样电阻的另一端命名为接口0，接口0和运算放大器和比较器的gnd端连接在一起；5v电压输入端通过开关s1连接运算放大器，通过开关s2连接比较器；上述命名的各个电气结点即接口0～5均能够接入外部电路，能够将不同的元件组合接入测试系统，供不同的功能模块使用。

所述led光源能够产生光信号，并能够选择打开或者关闭led光源。

系统提供源测量板卡、示波器板卡和多功能外围电路板相连接，组成多种功能模块，功能模块包括雪崩光电二极管器件正负极判断模块、雪崩电压标定模块、电流电压特性扫描模块、暗光计数测试模块和脉冲特性测试模块；

雪崩光电二极管器件正负极判断模块具有雪崩光电二极管正负极测试的功能：将源测量板卡的hi接口和lo接口分别连接多功能外围电路板的接口1和接口3，将多功能外围电路板的电源开关s1和s2全部断开，控制源测量板卡将电流极限值设定为1ma，并扫描输出步长为0.2v，起点和终点分别为-5v和5v的电压；控制源测量板卡采集电流信号并绘制曲线，若曲线上横坐标为-5v时的电流大于横坐标为5v时的电流的10倍，则与多功能外围电路板3号接口相连的一端为雪崩光电二极管正极；若曲线上横坐标为5v时的电流大于横坐标为-5v时的电流的10倍，则将雪崩光电二极管正负极调换安装，再重新输出-5v到5v进行测试；测试完成后将源测量板卡输出置零；通过在labview程序界面中选择源测量板卡pxie-4135的输出通道，能够按一定步长扫描输出-5v至5v的电压，并通过电流的量级和曲线特性判断雪崩光电二极管的正负极；通过labview程序控制源测量板卡pxie-4135按一定步长输出反偏电压，并设置电流阈值，当电路中电流超过阈值时，停止加反偏电压。

所述雪崩电压标定模块具有雪崩电压标定测试功能：源测量板卡的hi接口和lo接口输出0～200v电压作为雪崩光电二极管的偏压，源测量板卡的输出电压正极、负极分别连接到多功能外围电路板的接口1和接口3；雪崩电压标定模块控制源测量板卡pxie-4135输出电压和采集电流，控制源测量板卡采集电流信号并绘制曲线，在曲线上找到斜率最大的点，横坐标所代表的电压值标定为雪崩电压；

所述电流电压特性扫描模块具有电流电压特性测试功能：源测量板卡的hi接口和lo接口输出0v到雪崩电压作为雪崩光电二极管的偏压，源测量板卡的输出电压正极、负极分别连接到多功能外围电路板的接口1和接口3；led光源通过光纤连接至多功能外围电路板的雪崩光电二极管，选择打开或者关闭led光源，能够提供测试所需的光信号；电流电压特性扫描模块控制源测量板卡的hi接口和lo接口输出0v到雪崩电压，同时采集电路中的电流的大小，得到输出电压和采集电流的对应关系；

所述暗光计数测试模块具有暗光计数测试功能：通过labview程序控制源测量板卡pxie-4135的hi接口和lo接口输出0v到雪崩电压作为雪崩光电二极管的偏压，源测量板卡的输出电压正极、负极分别连接到多功能外围电路板的接口1和接口0。led光源通过光纤连接至多功能外围电路板的雪崩光电二极管；控制示波器板卡的ch0端口采集模拟信号，示波器板卡ch0端口的的正极、负极分别连接到多功能外围电路板的接口5和接口0，示波器板卡的输入信号是脉冲，计算单位时间脉冲的个数，当led光源关闭时，得到暗计数，当led光源打开时，得到光计数；暗光计数测试模块的连接方式为：源测量板卡pxie-4135的hi接口接多功能外围电路板的1号接口，源测量板卡pxie-4135的lo接口接多功能外围电路板的0号接口，示波器板卡pxie-5114的ch0端口正极接多功能外围电路板的5号接口，示波器板卡pxie-5114的ch0端口负极接多功能外围电路板的0号接口；

所述脉冲特性测试模块具有脉冲特性测试功能：源测量板卡的hi接口和lo接口输出0v到雪崩电压作为雪崩光电二极管的偏压，源测量板卡的输出电压正极、负极分别连接到多功能外围电路板的接口1和接口0；控制示波器板卡的ch0端口采集模拟信号，示波器板卡的ch0端口的正极、负极分别连接到多功能外围电路板的接口4和接口0，示波器板卡的输入信号是脉冲，labview程序计算脉冲的高度、宽度和上升沿时间，得到脉冲特性。脉冲特性测试模块的连接方式为：源测量板卡pxie-4135的hi接口接多功能外围电路板的1号接口，源测量板卡pxie-4135的lo接口接多功能外围电路板的0号接口，示波器板卡pxie-5114的ch0端口正极接多功能外围电路板的4号接口，示波器板卡pxie-5114的ch0端口负极接多功能外围电路板的0号接口；

系统还包括负责给上述pxi硬件平台和外围电路供电的电源系统。

负责测试被测雪崩光电二极管的labview图形化编程平台中，包括主界面模块及上述各个功能测试模块，功能测试模块包括雪崩光电二极管器件正负极判断模块、雪崩电压标定模块、电流电压特性扫描模块、暗光计数测试模块和脉冲特性测试模块

主界面模块建有雪崩光电二极管电学特性测试系统的显示界面，该显示界面的显示内容包括雪崩光电二极管正负极指示灯，雪崩电压显示窗口，电流-电压特性曲线波形图，暗/光计数的数据显示。并设置有切换开关以进行各功能测试模块的切换。

系统通过执行以下步骤完成测试：

步骤1，初始化pxi硬件平台各板卡及所用通道；

步骤2，将雪崩光电二极管两个电极分别连接源测量板卡的hi接口和lo接口；

步骤3，通过labview控制源测量板卡pxie-4135输出-5v至5v的电压，步长为0.2v。根据采集的电流判断雪崩光电二极管正负极，并通过界面(主界面模块)的报警灯显示。

步骤4，选择功能模块中的任一种，完成相应功能的测试。

步骤4包括：

选择雪崩光电二极管器件正负极判断模块进行雪崩光电二极管正负极测试：将雪崩光电二极管插入多功能外围电路板的雪崩光电二极管插座中，将源测量板卡的hi接口和lo接口分别连接多功能外围电路板的接口2和接口3，将多功能外围电路板的电源开关s1和s2全部断开，控制源测量板卡将电流阈值设定为1ma，并扫描输出步长为0.2v，起点和终点分别为-5v和5v的电压；控制源测量板卡采集电流信号并绘制图形，比较电压为-5v时与电压为5v时的电流，判断雪崩光电二极管正负；预先设定多功能外围电路板接口3为雪崩光电二极管的正端，接口2为雪崩光电二极管的负端，如果源测量板卡采集的电流信号不符合，则调换雪崩光电二极管接线端再次测量，直至雪崩光电二极管接线正确，测试完成后将源测量板卡输出置零；

选择雪崩电压标定模块进行雪崩电压标定测试：将源测量板卡的hi接口和lo接口分别连接多功能外围电路板的接口1和接口3，将多功能外围电路板的电源开关s1和s2全部断开，控制源测量板卡将电流极限值设定为1ma，并扫描输出步长为0.2v，起点和终点分别为0v和200v的电压；控制源测量板卡采集电流信号并绘制曲线，控制源测量板卡采集电流信号并绘制曲线，在曲线上找到斜率最大的点，横坐标所代表的电压值标定为雪崩电压，最后将源测量板卡输出置零；

选择电流电压特性扫描模块进行电流电压特性测试：将源测量板卡的hi接口和lo接口分别连接多功能外围电路板的接口1和接口3，将多功能外围电路板的电源开关s1和s2全部断开；led光源通过连接到多功能外围电路板上，为雪崩光电二极管提供电信号。控制源测量板卡将电流极限值设定为1ma，并扫描输出步长为0.2v，起点和终点分别为0v和雪崩电压；在led开启和关闭的条件下，分别控制源测量板卡采集电流信号并绘制曲线，最后将源测量板卡输出置零；

选择暗光计数测试模块进行暗光计数测试：将源测量板卡的hi接口和lo接口分别连接多功能外围电路板的接口1和接口0，将示波器板卡的ch0通道正极、负极分别连接多功能外围电路板的接口5和接口0，多功能外围电路板的电源开关s1和s2全部闭合；led光源通过连接到多功能外围电路板上，为雪崩光电二极管提供电信号，led光源能够选择打开或者关闭；控制源测量板卡将电流极限值设定为1ma，并扫描输出步长为0.2v，起点和终点分别为0v和雪崩电压；在led开启和关闭的条件下，分别控制源测量板卡采集电压信号并绘制曲线，计算得到曲线上单位时间内脉冲的个数，即为暗、光计数，最后将源测量板卡输出置零；

选择脉冲特性测试模块进行脉冲特性测试：将源测量板卡的hi接口和lo接口分别连接多功能外围电路板的接口1和接口0，将示波器板卡的ch0通道正极、负极分别连接多功能外围电路板的接口4和接口0，多功能外围电路板的电源开关s1闭合，s2断开；led光源通过连接到多功能外围电路板上，为雪崩光电二极管提供光信号。控制源测量板卡将电流极限值设定为1ma，并扫描输出步长为0.2v，起点和终点分别为0v和雪崩电压；在led开启和关闭的条件下，分别控制源测量板卡采集电压信号并绘制曲线，计算脉冲的高度、宽度和上升沿时间，得到脉冲特性，最后将源测量板卡pxie-4135输出置零。

有益效果：基于labview和pxi的雪崩光电二极管电学特性测试系统不仅可以满足雪崩光电二极管的常规测试，在此基础上，通过添置新的板卡，可以进一步测试雪崩光电二极管的噪声、频率特性等参数。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1是测试系统总体框图；

图2是多功能外围电路板框图；

图3是测试系统总体流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

本发明提出了一种基于labview和pxi的雪崩光电二极管电学特性测试系统，其开发要求针对不同的雪崩光电二极管，能够提供测试所需要的输出电压，并采集电流和模拟电压信号，得到雪崩光电二极管的各种特性。

本发明包括以下主要功能模块：

1雪崩光电二极管器件正负极判断模块

2雪崩电压标定模块

3电流-电压特性扫描模块

4暗/光计数测试模块

5脉冲特性测试模块。

本发明包括软件和硬件两大部分，软件部分使用labview图形化编程平台编写。硬件主要由pxi硬件平台，多功能外围电路板，led光源组成，其中pxi硬件平台包括用于输出指定电压和测试电流大小的源测量板卡pxie-4135、用于模拟电压采集的示波器板卡pxie-5114；上述板卡通过pxi插槽与控制器板卡pxie-8840相连接，并通过信号连接线与多功能外围电路板相连。如图2所示，多功能外围电路板包括猝灭电阻、采样电阻、雪崩光电二极管插座，运算放大器、比较器电路以及多个电阻电容组成，引出多个接口，分别以数字0-5命名，0为地，1-5为元件接线端。使用时根据接线位置的不同，将不同的元件组合接入测试系统，供不同的功能模块使用。led光源可以产生测试所需的光信号，在使用时通过光纤与多功能外围电路板连接。基于labview和pxi的雪崩光电二极管电学特性测试系统，根据不同的板卡和外围电路组合，组成不同的功能模块，实现不同的测试功能。包括雪崩光电二极管器件正负极判断模块、雪崩电压标定模块、电流-电压特性扫描模块、暗/光计数测试模块，脉冲特性测试模块。除此之外，还有负责给上述pxi硬件平台和外围电路供电的电源系统。

在带有labview图形化编程平台的雪崩光电二极管电学特性测试系统中，包括主界面模块及上述各个功能测试模块。主界面模块建有雪崩光电二极管电学特性测试系统的显示界面，该显示界面的显示内容包括雪崩光电二极管正负极接法报警灯，雪崩电压显示窗口，电流-电压特性曲线波形图，暗/光计数的数据显示。并设置有切换开关以进行各功能模块的切换。

如图3所示，上述雪崩光电二极管电学特性测试系统的运行包括以下步骤：

初始化pxi硬件平台各板卡及所用通道。

进行雪崩光电二极管正负极测试。将雪崩光电二极管插入多功能外围电路板的雪崩光电二极管插座中，将源测量板卡pxie-4135的hi接口和lo接口分别连接多功能外围电路板的2号接口和3号接口，将多功能外围电路板的电源开关s1和s2全部断开。打开labview程序，切换至雪崩光电二极管正负极测试模块，在程序界面上进行参数输入，控制源测量板卡pxie-4135将电流极限值设定为1ma，并扫描输出步长为0.2v，起点和终点分别为-5v和5v的电压。控制源测量板卡pxie-4135采集电流信号并在数据显示区绘制图形，与预设的电流阈值进行比较，判断雪崩光电二极管正负。预先规定多功能外围电路板3号接口为雪崩光电二极管的正端，2号接口为雪崩光电二极管的负端，若源测量板卡pxie-4135采集的电流信号不相符，则调换雪崩光电二极管接线端再次测量，直至雪崩光电二极管接线正确。将源测量板卡pxie-4135输出置零。

通过labview界面的切换按键可以自由选择下述几种功能之一：

(1)雪崩电压标定测试。将源测量板卡pxie-4135的hi接口和lo接口分别连接多功能外围电路板的1号接口和3号接口，将多功能外围电路板的电源开关s1和s2全部断开。将labview程序的切换按键切换至雪崩电压标定测试模块，在程序界面上进行参数输入，控制源测量板卡pxie-4135，将电流极限值设定为1ma，并扫描输出步长为0.2v，起点和终点分别为0v和200v的电压。控制源测量板卡pxie-4135采集电流信号并在数据显示区绘制曲线，计算曲线中斜率最大的点，其横坐标即为雪崩电压。将源测量板卡pxie-4135输出置零。

(2)电流-电压特性测试。将源测量板卡pxie-4135的hi接口和lo接口分别连接多功能外围电路板的1号接口和3号接口，将多功能外围电路板的电源开关s1和s2全部断开。将led光源通过光纤正对雪崩光电二极管。将labview程序的切换按键切换至电流-电压特性测试模块，在程序界面上进行参数输入，控制源测量板卡pxie-4135，将电流极限值设定为1ma，并扫描输出步长为0.2v，起点和终点分别为0v和雪崩电压。在led开启和关闭的条件下，分别控制源测量板卡pxie-4135采集电流信号并在数据显示区绘制曲线。将源测量板卡pxie-4135输出置零。

(3)暗/光计数测试。将源测量板卡pxie-4135的hi接口和lo接口分别连接多功能外围电路板的1号接口和0号接口，将示波器板卡pxie-5114的ch0通道正负极分别连接多功能外围电路板的5号接口和0号接口，多功能外围电路板的电源开关s1和s2全部闭合。将led光源通过光纤正对雪崩光电二极管。将labview程序的切换按键切换至暗/光计数测试模块，在程序界面上进行参数输入，控制源测量板卡pxie-4135，将电流极限值设定为1ma，并扫描输出步长为0.2v，起点和终点分别为0v和雪崩电压。在led开启和关闭的条件下，分别控制源测量板卡pxie-5114采集电压信号并在数据显示区绘制曲线，计算曲线中单位时间内脉冲的个数，即可得到暗/光计数。将源测量板卡pxie-4135输出置零。

(4)脉冲特性测试。将源测量板卡pxie-4135的hi接口和lo接口分别连接多功能外围电路板的1号接口和0号接口，将示波器板卡pxie-5114的ch0通道正负极分别连接多功能外围电路板的4号接口和0号接口，多功能外围电路板的电源开关s1闭合，s2断开。将led光源通过光纤正对雪崩光电二极管，。将labview程序的切换按键切换至暗/光计数测试模块，在程序界面上进行参数输入，控制源测量板卡pxie-4135，将电流极限值设定为1ma，并扫描输出步长为0.2v，起点和终点分别为0v和雪崩电压。在led开启和关闭的条件下，分别控制源测量板卡pxie-5114采集电压信号并在数据显示区绘制曲线，得到脉冲特性。将源测量板卡pxie-4135输出置零。

完成相应功能的测试。

综上所述，采用美国国家仪器公司的pxi硬件平台，并配套labview编程平台开发出的用于雪崩光电二极管的综合测试平台，可以实现雪崩光电二极管的重要参数的测试，并具有可扩展性。最后应当说明的是：本发明不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，不是限制性的。本领域的普通技术人员应当理解，在本发明的基础上进行的局部修改和变形，均属于本发明的保护范围。

本发明提供了一种基于pxi的雪崩光电探测器电学特性测试系统，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。