基于微控制器的OLED光電性能綜合測試系統(tǒng)

　　1　引言

　　有機(jī)發(fā)光二極管（organic　light　emitting diode，OLED）是一種新型的平板顯示器件和二維光源。通過測試OLED器件的電流－電壓特性、發(fā)光亮度－電壓特性、溫度－電流特性、發(fā)光效率－電壓特性、色坐標(biāo)以及電致發(fā)光光譜等，可判斷器件發(fā)光性能和電學(xué)性能的好壞，并計算出其外部量子效率和能量轉(zhuǎn)換效率。目前較普遍的是采用直流電壓表、電流表來測定OLED器件的電流、電壓特性。利用微弱光光度計測定樣品的發(fā)光亮度，利用溫度采集儀測量樣品的溫度。

　　然后將數(shù)據(jù)輸入到計算機(jī)進(jìn)行后續(xù)分析處理，獲得樣品的光電性能。這種測量方法，電壓、電流、亮度、溫度等物理量無法實(shí)現(xiàn)同時測量，且誤差大，效率低；數(shù)據(jù)采集量及采集密度也大大受到限制，無法準(zhǔn)確地反映樣品的光電性能。

　　針對以上問題，本文設(shè)計了一套基于微控制器的OLED光電性能綜合測試系統(tǒng)，系統(tǒng)以微控制器為核心，是一個將精密恒壓（恒流）電源、電壓電流測量、溫度測量、亮度測量有機(jī)地結(jié)合在一起的測量系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)測試條件設(shè)置、數(shù)據(jù)存儲、分析、圖形化顯示、打印輸出等功能，實(shí)現(xiàn)了對OLED器件光電性能的高精度快速自動測量，使OLED器件的光電性能測試工作變得方便、快捷、科學(xué)。

　　2　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)兩部組成。下位機(jī)以MSP430F149微控制器為核心，包括可編程直流電源IPD-3303SL、光電轉(zhuǎn)換電路、溫度測量電路、量程切換電路、顯示電路以及RS232接口電路；上位機(jī)為通用的PC機(jī)，配以專用數(shù)據(jù)處理軟件完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和光電性能分析等功能。

　　系統(tǒng)工作過程如下：可編程直流電源IPD-3303SL按照上位機(jī)設(shè)置的電壓初始值、電壓終止值、步進(jìn)值以及采樣周期驅(qū)動OLED 器件發(fā)光。樣品所發(fā)出的光入射到光敏二極管后轉(zhuǎn)換為電流信號，經(jīng)過I/V轉(zhuǎn)換電路，將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，單片機(jī)控制量程切換電路來切換I/V轉(zhuǎn)換電路的反饋電阻，以在輸出端得到不同強(qiáng)度的電壓信號。輸出電壓二次放大后，進(jìn)入單片機(jī)的A/D通道。器件的溫度被紅外熱電堆傳感器采集，輸入到單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換通道，單片機(jī)將亮度和溫度的電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量進(jìn)行處理后通過LCD顯示出來，并通過RS-232接口將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，繪制出電壓－亮度、電流－溫度、電壓－電流曲線。

　　3　硬件設(shè)計

　　3.1　MCU單元

　　美國TI公司生產(chǎn)的MSP430單片機(jī)為高整合、高精度的單芯片系統(tǒng)，其利用精簡指令集，是16位高速處理單片機(jī)。另外它有豐富的外圍模塊，在應(yīng)用時減少了外設(shè)空間。這里選擇MSP430F149單片機(jī)作為MCU，單片機(jī)的工作電壓為1.8~3.6V，有兩個16位定時器、兩個串行通信接口、片內(nèi)看門狗和12位A/D，綜合功能和成本都比較適合本系統(tǒng)。

　　系統(tǒng)利用單片機(jī)自帶的ADC12模塊直接實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。MSP430F149自身帶8路轉(zhuǎn)換接口，通過ADC12模塊控制寄存器實(shí)現(xiàn)亮度和溫度兩路模擬信號的A/D轉(zhuǎn)換。利用單片機(jī)內(nèi)部2.5V的基準(zhǔn)源，ADC12的模擬多路器可以分時地將亮度和溫度信號轉(zhuǎn)換，并且具有采樣和保持功能，ADC12硬件通過設(shè)置可自動將轉(zhuǎn)換結(jié)果存放到相應(yīng)的寄存器中。

　　3.2　電壓電流測量

　　系統(tǒng)選擇可編程直流電源供應(yīng)器IPD-3303SL 作為測量OLED 電壓－電流特性的儀器。IPD-3303SL為可編程控制電源，工作在恒流或恒壓模式，能實(shí)現(xiàn)步進(jìn)式電壓（電流）輸出，可以通過串口輸入命令控制，同時通過串口獲得輸出電流（電壓）值，另外還具有過流和過壓的保護(hù)功能，適合本系統(tǒng)中電流電壓的輸出和測量。

　　IPD-3303SL電壓輸出范圍為0～25V，測量電壓精度為1ｍV，電流精度為1μＡ。

　　3.3　亮度測量

　　亮度測量電路由I/V轉(zhuǎn)換電路和二級放大電路組成。OLED器件發(fā)出的光入射到光敏二極管GT101，輸出僅0.002～200μA 的電流信號，I/V轉(zhuǎn)換電路器件選用具有極低輸入偏置電流的單片電路靜電計型運(yùn)算放大器OP07.OP07具有低輸入電流和低輸入補(bǔ)償電壓，因此適合作為非常敏感的光敏二極管的前置放大器。如圖2所示，通過調(diào)節(jié)R12可將運(yùn)放的失調(diào)調(diào)零，R2補(bǔ)償集成運(yùn)放的偏置電流。

　　本設(shè)計中亮度測量范圍為1×10－3～200×103　cd/m2，為6個數(shù)量級的跳變，單個放大器放大倍數(shù)不能滿足要求，因此需要量程切換。

　　I/V轉(zhuǎn)換電路使用6組不同的反饋電阻連接6路常閉模擬開關(guān)MAX312進(jìn)行量程切換。MAX312僅有10Ω的導(dǎo)通電阻和0.35Ω的導(dǎo)通電阻平坦度。

　　將常閉端連接反饋電阻，公共端連接放大器輸出。

　　當(dāng)輸入端為高電平時，公共端和常閉端導(dǎo)通，選通與之連接的反饋電阻，反之則斷開。

　　第一級輸出0～200mV的電壓，A/D轉(zhuǎn)換采用2.5 V 的基準(zhǔn)源。因此，第二級使用運(yùn)放LF441CN，放大倍數(shù)12，將0～200mV電壓放大到0～2.4V.

　　放大后的電壓Vin分別輸入單片機(jī)A/D通道和由LM324組成的上下限電壓比較器，根據(jù)比較器輸出分析信號幅度是否在規(guī)定范圍內(nèi)。為了使電路工作更穩(wěn)定，比較電壓值需預(yù)留一定的豁量。如圖3所示，調(diào)節(jié)R10使比較上限電壓為2.3V，調(diào)節(jié)R17使比較下限電壓為0.1V，當(dāng)Vin在0.1～2.3V時，量程合適，比較器輸出邏輯電平00，啟動A/D轉(zhuǎn)換電路。否則，當(dāng)Vin＞2.3V時，通過模擬開關(guān)MAX312并配合軟件來切換I/V轉(zhuǎn)換電路的反饋電阻，向大量程切換；當(dāng)Vin＜0.1V時，向小量程切換，以適應(yīng)不同強(qiáng)度的光信號。

　　1　引言

　　有機(jī)發(fā)光二極管（organic　light　emitting diode，OLED）是一種新型的平板顯示器件和二維光源。通過測試OLED器件的電流－電壓特性、發(fā)光亮度－電壓特性、溫度－電流特性、發(fā)光效率－電壓特性、色坐標(biāo)以及電致發(fā)光光譜等，可判斷器件發(fā)光性能和電學(xué)性能的好壞，并計算出其外部量子效率和能量轉(zhuǎn)換效率。目前較普遍的是采用直流電壓表、電流表來測定OLED器件的電流、電壓特性。利用微弱光光度計測定樣品的發(fā)光亮度，利用溫度采集儀測量樣品的溫度。

　　然后將數(shù)據(jù)輸入到計算機(jī)進(jìn)行后續(xù)分析處理，獲得樣品的光電性能。這種測量方法，電壓、電流、亮度、溫度等物理量無法實(shí)現(xiàn)同時測量，且誤差大，效率低；數(shù)據(jù)采集量及采集密度也大大受到限制，無法準(zhǔn)確地反映樣品的光電性能。

　　針對以上問題，本文設(shè)計了一套基于微控制器的OLED光電性能綜合測試系統(tǒng)，系統(tǒng)以微控制器為核心，是一個將精密恒壓（恒流）電源、電壓電流測量、溫度測量、亮度測量有機(jī)地結(jié)合在一起的測量系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)測試條件設(shè)置、數(shù)據(jù)存儲、分析、圖形化顯示、打印輸出等功能，實(shí)現(xiàn)了對OLED器件光電性能的高精度快速自動測量，使OLED器件的光電性能測試工作變得方便、快捷、科學(xué)。

　　2　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)兩部組成。下位機(jī)以MSP430F149微控制器為核心，包括可編程直流電源IPD-3303SL、光電轉(zhuǎn)換電路、溫度測量電路、量程切換電路、顯示電路以及RS232接口電路；上位機(jī)為通用的PC機(jī)，配以專用數(shù)據(jù)處理軟件完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和光電性能分析等功能。

　　系統(tǒng)工作過程如下：可編程直流電源IPD-3303SL按照上位機(jī)設(shè)置的電壓初始值、電壓終止值、步進(jìn)值以及采樣周期驅(qū)動OLED 器件發(fā)光。樣品所發(fā)出的光入射到光敏二極管后轉(zhuǎn)換為電流信號，經(jīng)過I/V轉(zhuǎn)換電路，將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，單片機(jī)控制量程切換電路來切換I/V轉(zhuǎn)換電路的反饋電阻，以在輸出端得到不同強(qiáng)度的電壓信號。輸出電壓二次放大后，進(jìn)入單片機(jī)的A/D通道。器件的溫度被紅外熱電堆傳感器采集，輸入到單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換通道，單片機(jī)將亮度和溫度的電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量進(jìn)行處理后通過LC