Microcontroller Based Flexible, Powerful Digital Delay Pulse Generator System Design and Optoelectronic Applications

Öz

In this study, a multi-channel digital delayed pulse generator (DDPG) with adjustable channel width, mainly based on microcontroller, has been designed. In this system, 25 different time-base signals were generated between 1µs-1s by using microcontroller (PIC18F4550), crystal oscillator (8 MHz) and 4 input 16 output encoder/decoder IC (74LS154). After the trigger signal, 32-channel time-delayed digital pulse signals are obtained sequentially at the selected time-base width. The DDPG system was first tested with the Signal Analysis Unit (SAU), which also includes a 2-channel sample-and-hold circuit of the signal amplitude values corresponding to two selected time window values within one full period of the reference triangular signal whose amplitude-time dependence is known. The obtained results were compared with the known real values. It was observed that the results were compatible. It was then used to determine the mathematical form of the photocurrent over time, which is produced by pulsed illumination at room temperature for a light-sensitive resistor (LDR), which is a commercial product. As a result, an automatic data acquisition system with fast, functional and flexible features has been realized with this new microcontroller-based multi-channel DDPG and SAU. In addition, deep-level transient spectroscopy (DLTS) is a preferable system for the characterization of semiconductor materials such as photo-excited current transient spectroscopy (PICTS) because it is easy to use and cheaper than commercial double-sampling systems.

Anahtar Kelimeler

• Digital delayed pulse generator
• Sample and hold
• gated integrator

Mikrodenetleyici Tabanlı Esnek, Güçlü Dijital Gecikmeli Darbe Üreteci Sistem Tasarımı ve Optoelektronik Uygulamaları

Öz

Bu çalışmada, esas olarak mikrodenetleyici tabanlı çok kanallı ve kanal genişliği ayarlanabilen bir dijital geçikmeli darbe üreteci (DGDÜ) tasarımı gerçekleştirilmiştir. Bu sistemde mikrodenetleyici (PIC18F4550), kristal osilatör (8 MHz) ve 4 giriş 16 çıkışlı kodlayıcı/kodçözücü entegresi (74LS154) kullanarak 1µs-1s arasında 25 farklı genişlikte zaman-taban sinyalleri üretilmiştir. Tetikleme sinyalinden sonra seçilen zaman-taban genişliğinde ardışık olarak 32 kanallı zaman-geçiktirme dijital darbe sinyalleri elde edilmiştir. DGDÜ sistemi, ilk olarak genlik-zaman bağımlılığı bilinen referans üçgensel sinyalin bir tam periyodu içinde seçilen iki zaman pencere değerine karşı gelen sinyal genlik değerlerinin 2-kanallı örnekle-tut devresinin de bulunduğu Sinyal Analiz Birimi (SAB) ile test edilmiştir. Elde edilen sonuçların bilinen gerçek değerler ile karşılaştırılması yapılmıştır. Sonuçların uyumlu olduğu gözlenmiştir. Daha sonra ticari bir ürün olan ve ışığa duyarlı bir direnç (LDR) için oda sıcaklığında, kesikli aydınlatma ile oluşan foto-akımın zamanla matematiksel formunun belirlenmesi için kullanılmıştır. Sonuç olarak, bu yeni mikrodenetleyici tabanlı çok kanallı DGDÜ ve SAB ile hızlı, işlevsel ve esnek özellikleri olan bir otomatik veri toplama sistemi gerçekleştirilmiştir. Ayrıca derin seviyeli transient spektroskopi (DLTS), foto-uyarımlı akım transiyent spektroskopisi (PICTS) gibi yarıiletken mazlemelerin karakterizasyonları için kullanımı kolay ve ticari çift-örnekleme sistemlerine göre daha ucuz olması nedeniyle tercih edilebilir bir sistemdir.

Anahtar Kelimeler

• Dijital geçikmeli darbe üreteci
• Örnekle-tut
• gated-entegratör
• Dijital geçikmeli darbe üreteci, Örnekle-tut, gated-entegratör
• Digital delayed pulse generator
• Sample and hold
• gated integrator

Kaynakça

1. [1] Kasri, N. F., & Piah, M. A. M. 2017. A compact and reliable pulse generator using dual 555-timer IC to produce PWM method. 2017 IEEE Conference on Energy Conversion (CENCON). Kuala Lumpur, Malaysia on 30–31 October, p. 100-104. DOI:10.1109/cencon.2017.8262466
2. [2] Yang Zhang and C. E. Saavedra, 2004. A voltage-variable time delay element for clock waveforms, Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering, 2-5 May. (IEEE Cat. No.04CH37513), p. 551-554. DOI: 10.1109/CCECE.2004.1345096.
3. [3] Karlsson, H.G., Börjesson, P.O. & Johnsson, A. 1971. An electronic delay circuit for biomedical simulations. Medical and Biological Engineering, 9, p. 721–724. DOI:10.1007/BF02474657
4. [4] Cicalese, R., Aloisio, A., Branchini, P., Giordano, R., Izzo, V., & Loffredo, S. (2008). Implementation of High-Resolution Time-to-Digital Converters on two different FPGA devices. Astroparticle, Particle and Space Physics, Detectors and Medical Physics Applications, p. 50-54. DOI:10.1142/9789812819093_0008
5. [5] Murray, A., & Hammond, P. 1999. Delay generators for time of flight experiments. Measurement Science and Technology, 10 (3), p. 225–231. DOI:10.1088/0957-0233/10/3/019
6. [6] Guvench, S., Denton, M., Rollins, M., Guvench, M. 2000. Automated Semiconductor Device/Sensor Measurement System For Temperature And Magnetic Field Characterization, 2000 Annual Conference, 18-21.06.2000, St. Louis, Missouri, p. 5.119.1-5.119.8. DOI: 10.18260/1-2--8177.
7. [7] Güngör, T., Güngör E., 2022. Yarıiletken Aygıt Karakterizasyonu için Arduino UNO Tabanlı Otomatik Hall/Direnç Ölçüm Sistem Tasarımı ve Uygulaması, Dokuz Eylül Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Fen ve Mühendislik Dergisi, 24 (70), s. 205-212. DOI:10.21205/deufmd.2022247019
8. [8] Bruzzi, M., Menichelli, D., Pirollo, S., Sciortino, S. 2000. Photo-induced deep level analysis in undoped CVD diamond films, Diamond and Related Materials, 9 (3-6), p.1081-1085. DOI:10.1016/S0925-9635(00)00197-7

9. [9] Hurtes, Ch., Boulou, M., Mitonneau, A., and Bois, D. 1978. Deep-level spectroscopy in high-resistivity materials, Applied Physics Letters, 32 (12), p. 821-823. DOI:10.1063/1.89929
10. [10] Lang, D. V. 1974. Deep‐level transient spectroscopy: A new method to characterize traps in semiconductors, Journal of Applied Physics, 45, p. 3023-3032. DOI: 10.1063/1.1663719
11. [11] Das, A., Singh, V. A., Lang, D. V. 1988. Deep-level transient spectroscopy (DLTS) analysis of defect levels in semiconductor alloys, Semiconductor Science and Technology, 3 (12), p. 1177–1183. DOI:10.1088/0268-1242/3/12/005
12. [12] Rakhshani, A. E., Khan, W. I., Mathew, X. 1996. Additive double gate analysis in photoinduced current transient spectroscopy: Application to cuprous oxide, Physica Status Solidi B-basic Solid State Physics, 196, p.163-173. DOI:10.1002/pssb.2221960117
13. [13] Kremer, R. E., Arikan, M. C., Abele, J. C., and Blakemore, J. S. 1987. Transient photoconductivity measurements in semi‐insulating GaAs. I. An analog approach, Journal of Applied Physics, 62, p. 2424-2431. DOI: 10.1063/1.339849
14. [14] Reddy, C. V., Fung, S., and Beling, C. D. 1996. A simple and inexpensive circuit for emission and capture deep level transient spectroscopy, Review of Scientific Instruments, 67, p. 257-261, (1996). DOI:10.1063/1.1147586
15. [15] Collier, J. L., Goddard, B. J., Goode, D. C., Marka, S., and Telle, H. H. 1996. A low-cost gated integrator boxcar averager, Measurement Science and Technology, 7 (9), p. 1204-1211. DOI: 10.1088/0957-0233/7/9/003
16. [16] Suzuki, R., Umezu, K., Takuma, H., and Shimizu, F. 1981. Multiple sampling digital boxcar integrator, an efficient signal averager, Review of Scientific Instruments, 52, p. 287-292, DOI:10.1063/1.1136589
17. [17] Wahl, M., Röhlicke, T., Rahn, H. J., Erdmann, R., Kell, G., Ahlrichs, A. , Kernbach, M., Schell, A. W., Benson, O. 2013. Integrated Multichannel Photon Timing Instrument with Very Short Dead Time and High Throughput, Review of Scientific Instruments, 84, p. 043102. DOI: 10.1063/1.4795828
18. [18] Mathew, X. 2003. Photo-induced current transient spectroscopic study of the traps in CdTe, Solar Energy Materials and Solar Cells, 76 (3), p. 225-242. DOI:10.1016/S0927-0248(02)00276-3
19. [19] PIC18F4550, https://www.microchip.com/en-us/product/PIC18F4550 (Erişim Tarihi: 14.04.2022).