Учебное пособие 800594
.pdf
Рис. 3. Спектр принятого модулированного сигнала резонатора без нагрузки
Как показывает рис. 3, по причине высокой добротности резонатора спектр принимаемых частот ограничен десятками герц. Реальные оптические сигналы являются более широкополосными, поэтому следует увеличить ширину полосы пропускания при сохранении селективных свойств. Расширение полосы возможно при уменьшении добротности, так как добротность Q равна отношению резонансной частоты фильтра fp к ширине полосы П. Эквивалентная добротность фотопьезоэлектрического резонатора в схеме на рис. 3, зависит от добротности самого резонатора (5 × 103) и включенного параллельно ему резистора R. Зависимости добротности исследуемого резонатора от нагрузочного сопротивления на рис. 4 наглядно показывает, что с падением сопротивления нагрузки уменьшается добротность резонатора по причине его шунтирования сопротивлением R.
20
10000
1000
Добротность Q
100
10
1
1 |
3 |
5 |
7 |
Сопротивление нагрузки R, кОм
Рис. 4. Нагрузочная характеристика экспериментального образца резонатора
Поставим задачу моделировать ширину полосы 200 и 500 Гц. С помощью нагрузочной зависимости, показанной на рис. 4, определим значения сопротивления нагрузки в соответствии с вычисленными величинами добротности резонатора. Значение сопротивления R для 200 Гц будет равно 300 Ом, а для 500 Гц оно составит 200 Ом.
Определяем спектральную кривую для этих случаев, их вид показан на рис.5 и 6, из которых видно, что добротность и ширину полосы удается изменять, меняя значение нагрузки.
В процессе изменения добротности резонаторного оптического приемника, естественно, изменялась и избирательность по оптическому сигналу. Однако, если учесть, что входные фильтры радио и оптических приемников направлены на фильтацию сигналов зеркальной частоты, отстоящей на величину промежуточной частоты, то указанные изменения не должны оказывать заметного влияния на основные свойства фильтующего тракта.
21
Рис. 5. Спектральная кривая для полосы 200 Гц (R = 300 Ом)
Рис. 6. Спектральная кривая для полосы 500 Гц (R = 200 Ом)
Таким образом, мембранный фотопьезоэлектрический резонатор на основе полупроводникового арсенида галлия может эффективно использоваться в качестве избирательного приемника оптических сигналов. Полосу пропускания в простейшем случае можно регулировать величиной его добротности. Для приема широполосных оптических сигналов потребуется использование многорезонаторных структур с электромеханической связью. В этом случае формирование амплитудно-частотной характеристики приема оптических сигналов, близкой к прямоугольной, будет являться отдельной задачей и потребует дополнительных исследований.
22
Литература
1.Митрохин В.И. Эффект оптического индуцирования механических колебаний в монокристаллах арсенида галлия [Текст] / В.И. Митрохин, С.И. Рембеза, А.А. Руденко // Письма в ЖТФ. – 2006. – Т. 32, – Вып. 11. – С. 32 - 36.
2.Митрохин В.И. Фотопьезоэффект в высокоомных монокристаллах арсенида галлия [Текст] / В.И. Митрохин, С.И. Рембеза,
А.А. Руденко // Перспективные материалы. – 2006. – № 6, – С. 23 - 26.
3.Митрохин В.И. Полупроводниковый пьезоэлектрический резонатор как высокоизбирательный приемник оптических сигналов [Текст] / В.И. Митрохин, С.И. Рембеза // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2011. - Т. 7. - № 10. – С. 9 - 12.
4.Алексеев С.Г. Некоторые тенденции развития акустоэлектроники сверхвысоких частот [Текст] / С.Г. Алексеев, Ю.В. Гуляев, И.М .Котелянский и др. – Успехи физических наук. - 2005. - Т. 175. -
№8. - С. 895 - 900.
5.Пат. 77735 Российская Федерация, МПК7 Н01Н 7/00. Фоточувствительный фильтр на поверхностных акустических волнах [Текст] / Митрохин В.И., Николаев О.В., Кузеванов А.Л., Рембеза С.И.; заявитель и патентообладатель Открытое акционерное общество «Концерн «Созвездие». - № 2008122284; заявл. 03.06.2008; опубл. 27.10.2008, Бюл. № 30. – 3 с.
6.Ikaru T. Piezoelectric detection of the photoacoustic signals of n- GaAs single crystals [Текст] / T. Ikaru // J. Appl. Phys. – 1992. – V. 71. - № 5. – P. 2408 - 2413.
7.Викторов И.А. Звуковые поверхностные волны в твердых телах. -М.: Наука, 1981.- 287 с.
Воронежский государственный технический университет *Международный институт компьютерных технологий, г. Воронеж
**Воронежский институт Министерства внутренних дел РФ
23
УДК 534.242
В.И. Митрохин, А.Д. Анисимов, А.В. Чаплыгин*, В.А. Логинов**
ФОТОПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РЕЗОНАТОР
СРАДИАЛЬНЫМИ КОЛЕБАНИЯМИ
Вработе описана конструкция фотопьезоэлектрического резонатора на основе круглой пластины арсенида галлия, которая жестко закреплена в
еегеометрическом центре с помощью металлических держателей, являющихся одновременно электрическими выводами для выходного сигнала резонатора.
Фотопьезоэлектрический резонатор на основе высокоомных пластин арсенида галлия может быть использован в качестве ча- стотно-избирательного приемника оптических сигналов [1]. Теория фотопьезоэлектрического преобразования оптических сигналов описана в работе [2]. В проводившихся работах [1, 2] круглая пластина арсенида галлия закреплялась в геометрическом центре пружинными зажимами, что неизбежно приводило к акустическим потерям (внутреннему трению) в точках закрепления за счет сухого проскальзывания [3]. В результате снижалась механическая добротность колеблющейся пластины и, как следствие, частотная избирательность принимаемых оптических сигналов. В настоящей работе ипользовано жесткое закрепление резонаторной пластины с опорами, что обеспечивает более высокую механическую добротность исследуемого резонатора.
При измерениях внутреннего трения в твердых телах [3] принципиальным является минимизация внешних потерь на акустическое излучение и потерь в точках крепления. Наименьшими акустическими потерями обладает жесткое закрепление образца к массивным неподвижным опорам, а также установка образца горизонтально в узлах механических колебаний (метод Ферстера) [3]. Мы
24
использовали первый подход при создании жесткой конструкции фотопьезоэлектрического резонатора на основе высокоомной пластины арсенида галлия с ориентацией плоскости (100). На рисунке показана конструкция фотопьезоэлектрического резонатора с радиальными колебаниями и закреплении пластины в геометрическом центре с помощью металлических держателей приклеенных контактолом к полупроводниковой пластине. Держатели одновременно являются электрическими выводами для снятия фотопьезо-ЭДС.
Эскиз конструкции фотопьезоэлектрического резонатора с жестким закреплением резонаторной пластины
На фронтальную поверхность пластины 1 направлялся поток импульсного оптического излучения с длиной волны вблизи 860 нм с помощью инфракрасного светодиода L-7113SF6C мощностью 100 мВт. На обратную сторону пластины был напылен проводящий слой никеля 2 толщиной 1 мкм, который образует барьер Шоттки с поверхностью арсенида галлия. Это приводило к тому, что в процесс преобразования оптического излучения в фото-ЭДС давали свой вклад как объемный, так и барьерный фотоэффект [4]. Поскольку
25
барьерный фотоэффект значительно эффективнее объемного фотоэффекта, то металлизация обратной стороны пластины приводила к увеличению коэффициента преобразования оптического излучения в резонансую фото-ЭДС примерно в три раза по сравнению с использованием чистой пластины.
При указанной кристаллографической ориентации резонаторной пластины приложенное в поперечном направлении напряжение на контактах в центре пластины приводит к пьезоэлектрической деформации в поперечном направлении, то есть в направлении от центра пластины к краям. При подключении к электродам 3 резонатора напряжения от внешнего генератора с частотой радиальных резонансных колебаний пластины f1 [5] (вблизи 82 кГц) наблюдалась максимальная амплитуда механических колебаний, возбуждаемых за счет обратного пьезоэлектрического эффекта. Если пластину облучить импульсным светом с частотой f2, близкой к частоте механического резонанса, на центральных электродах возникнет пьезоЭДС за счет преобразования оптической энергии в фото-ЭДС и механическую деформацию пластины [1, 2]. Строго говоря, частоты f1 (при электрическом возбуждении) и f2 (при оптическом возбуждении) близки, но не совпадают. В первом случае реализуется режим пьезоэлемента с закороченными электродами, во втором будет иметь место режим с незакороченными электродами, и частота f2 будет несколько больше, чем f1, за счет разной упругой жесткости. Закороченные электроды вызывают большую механическую податливость. В нашем случае монокристалла арсенида галлия разница частот Δf = f1 - f2 составляла 24 Гц при резонансной частоте радиальных колебаний 82 кГц и диаметре пластины 30 мм. Толщина пластины составляла 1 мм, и ее уменьшение в два раза не приводило к существенному изменению резонансной частоты пластины, что характерно для радиального типа колебаний.
Металлические держатели 3 закреплялись на дне керамического стакана 4. Стенки стакана выходили за границы резонатора с целью ограничения фоновой засветки резонаторной пластины 1.
Проведенные исследования показали, что приведенная конструкция резонатора с радиальными колебаниями имеет доброт-
26
ность примерно на порядок выше, чем в случае пружинных держателей, описанных в работах [1, 2] за счет исключения акустических потерь при сухом проскальзывании в точках зажима резонаторной пластины.
Литература
1.Митрохин В.И. Полупроводниковый пьезоэлектрический резонатор как высокоизбирательный приемник оптических сигналов [Текст] / В.И. Митрохин, С.И. Рембеза // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2011. - Т. 7. - № 10. – С. 9 - 12.
2.Митрохин В.И. Фотопьезоэлектрическое индуцирование резонансных акустических волн в монокристаллах полуизолирующего арсенида галлия [Текст] / В.И. Митрохин, С.И. Рембеза, Р.Н. Антонов // ФТП. - 2011. - Т. 45. № 12. – С. 1611 - 1616.
3.Постников В.С. Внутреннее трение в металлах [Текст]: монография / В.С. Постников. - М.: Металлургия, 1974. - 352 с.
4.Митрохин В. И. Фотопьезоэлектрический резонатор на арсениде галлия с барьерами Шоттки [Текст] / В.И. Митрохин, П.Л. Куршев, Р.Н Антонов и др. // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2013. - Т. 9. - № 6 - 1. – С. 99
-103.
5.Кошляков Н.С. Уравнения в частных производных мате-
матической физики [Текст]: учеб. пособие / Н.С. Кошляков, Э.Б. Глинер, М.М. Смирнов. - М.: Высш. шк., 1970. - 712 с.
Воронежский государственный технический университет *Международный институт компьютерных технологий, г. Воронеж
**Военный учебно-научный центр военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина», г. Воронеж
27
УДК 621.3
К.А. Минаков
ОБРАБОТКА И ОТОБРАЖЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ В ГАЗОАНАЛИЗАТОРЕ
Работа посвящена разработке системы обработки и отображения информации в газоанализаторе, сопряжению графического дисплея с микроконтроллером.
На сегодняшний день в мире производится и существует огромное множество устройств для обработки и отображения информации. С помощью таких устройств можно даже в домашних условиях разработать и собрать полноценную систему, которая будет обрабатывать заданную информацию с последующим выводом ее на графический дисплей.
Целью работы является сопряжение графического дисплея с микроконтроллером для отображения информации в газоанализаторе.
Для отображения информации требовался графический дисплей, который должен был иметь достаточно небольшие габаритнее размеры (т.к. сам прибор, газоанализатор, по техническому заданию должен иметь размеры, позволяющие ему быть мобильным и помещаться в ладонь руки взрослого человека), иметь небольшое потребление тока и немаловажным аспектом являлась небольшая стоимость. Под все эти параметры подходит достаточно много графических дисплеев, но выбор был остановлен на LCD Keypad Shield 1602 на основе микроконтроллера HD44780. Выбранный дисплей можно назвать модулем, который представляет собой плату расширения для Arduino, объединившую в себе двухстрочный LCD дисплей, объемом 16 символов в каждой строке и встроенную клавиатуру на 6 кнопок. Данный дисплейный модуль имеет такие преимущества как: последовательный интерфейс I2C, быстрое и упрощенное подключение LCD дисплея, достаточное уменьшение общих размеров
28
устройства отображения, добавляя функциональности устройству наличием встроенной клавиатуры. На рис. 1 представлен габаритный размер LCD Keypad Shield 1602: длина 8 см, ширина : см.
Рис. 1. Габаритные размеры LCD Keypad Shield 1602
Для обработки информации требовался микроконтроллер который, имел бы достаточно высокое быстродействие, простое сопряжение с дисплейным модулем, достаточно не большое потребление тока (так как газоанализатор по техническому заданию должен быть мобилен, то есть быть переносным и работать от встроенной аккумуляторной батареи) и так же как выбранный дисплейный модуль иметь не высокую стоимость. Все эти параметры обеспечивает плата Arduino UNO на основе микроконтроллера ATmega328 (рис.2).
Рис. 2. Габаритные размеры платы Arduino UNO на основе микроконтроллера ATmega328
29