《光電子應(yīng)用系統(tǒng)課程設(shè)計》詳細(xì)教案

1、一.課程設(shè)計目的：1 學(xué)會用振蕩電路設(shè)計發(fā)光管調(diào)制電源的方法；2 了解微弱信號放大電路的設(shè)計思路；3 熟悉集成運算放大器的各類性能參數(shù)；4 了解帶通濾波器從噪聲中檢出弱信號的方法；5 學(xué)會多重反饋有源帶通濾波器的設(shè)計步驟和參數(shù)計算；6 練習(xí)如何進行光電信號檢測系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)試驗；7 學(xué)會利用各種資源查找相關(guān)器件的參數(shù)特性二.課程設(shè)計內(nèi)容1 發(fā)光二極管調(diào)制電源設(shè)計A. 利用NE555為HG412A砷化鎵發(fā)光二極管設(shè)計一個調(diào)制電源。B. 要求電源調(diào)制頻率在最小可調(diào)范圍為3KHz7KHz，輸出波形占空比50。且發(fā)光二級管的輸出功率可以調(diào)節(jié)。C. 畫出電路圖，簡要說明工作原理。D. 實際調(diào)試所設(shè)計的電路，

2、并總結(jié)調(diào)試過程中應(yīng)注意的細(xì)節(jié)問題。2 光電微弱信號放大電路設(shè)計A. 應(yīng)用低噪聲集成運放LF353的A Part設(shè)計一微弱信號放大電路，用于2CU2D型光電二極管輸出的微弱電流信號前置放大。B. 放大倍數(shù)10002000可調(diào)，且輸出要求除去1/f低頻噪聲。C. 簡要說明設(shè)計原理。3 多重反饋有源帶通濾波器設(shè)計A. 結(jié)合前置放大器，利用運放uA741設(shè)計一個二階有源低通濾波器對放大電路輸出的信號進行濾波。B. 濾波器要求品質(zhì)因素Q為10，中心頻率f0為5KHz，中頻增益H為5。C. 給出濾波器設(shè)計參數(shù)的詳細(xì)計算過程；D. 要求利用其中一個可調(diào)電阻調(diào)整中心頻率f0，其余元件參數(shù)固定。4 光電報警電路

3、設(shè)計A. 在已經(jīng)設(shè)計出的HG412A砷化鎵發(fā)光二極管光源和微弱信號放大器和帶通濾波器濾波器的基礎(chǔ)上，利用集成運放LF353的B Part和普通紅色發(fā)光二極管，設(shè)計一個光電報警電路。B. 要求當(dāng)電路未接受到5KHz光脈沖時點亮紅色發(fā)光二極管，正常接收5KHz光脈沖時發(fā)光二極管不點亮。C. 簡要說明設(shè)計原理。三.基本原理1 發(fā)光二極管調(diào)制電源用555定時器構(gòu)成多諧振蕩器電路如圖1所示。電路沒有穩(wěn)態(tài),只有兩個暫穩(wěn)態(tài)，也不需要外加觸發(fā)信號，利用輸出端OUT的高電平通過可變電阻R1向電容器C1充電，使UC1逐漸升高，升到2VCC/3時，輸出端OUT跳變到低電平，電容器C1通過電阻R1向輸出端OUT放電，

4、使UC1下降，降到VCC/3時，輸出端OUT跳變到高電平，輸出端OUT又通過R1向電容器C1充電。如此循環(huán)，振蕩不停，電容器C1在VCC/3和2VCC/3之間充電和放電，輸出端OUT輸出連續(xù)的矩形脈沖。由于充放電通道相同，所以輸出的波形占空比為50。圖1 發(fā)光二極管調(diào)制電源原理圖輸出信號脈寬周期T的計算公式如下：因此輸出的矩形脈沖的頻率為：調(diào)節(jié)R1的大小即可調(diào)節(jié)輸出的頻率。此處C1固定為0.2uF，通過計算可知，7KHz 輸出頻率對應(yīng)的R1約為0.5K，5KHz輸出頻率對應(yīng)的R1約為0.7K，3KHz輸出頻率對應(yīng)的R1約為1.2K。因此R1選用2K大小的可調(diào)電阻。用NE555組成振蕩器來驅(qū)動發(fā)

5、光管時，要注意發(fā)光管上一定要串聯(lián)一個限流電阻。使輸出電流小于或等于發(fā)光管的最大正向電流IF。若振蕩器的輸出電壓為VO，則限流電阻R2取值為：設(shè)輸出VO高電平為5V，則R2應(yīng)不小于116，如果輸出為12V（VCC為12V），則R2應(yīng)不小于350，因此R2取0.4K，為了調(diào)節(jié)發(fā)光管的輸出功率，采用2K的可調(diào)電阻R3的來控制發(fā)光管輸出功率，因此最小輸出電流為4.375mA。課程設(shè)計考查點：1. 50占空比，即電路結(jié)構(gòu)2. 輸出頻率調(diào)節(jié)范圍3. 二極管限流電阻4. 輸出功率可調(diào)2 微弱信號放大電路由于光敏二極管在工作時近似于一個電流源Is，因此在進行微弱電流信號放大時必須考慮如何進行I-V轉(zhuǎn)換，有兩種

6、方法進行轉(zhuǎn)換，一是直接電阻轉(zhuǎn)換，即電流源連接電阻R，然后與取R上的電壓進行放大；二是采用跨阻放大的方法進行I-V轉(zhuǎn)換。采用直接轉(zhuǎn)換的方法時，如果Is不是一個理想的電流源，則R不能獲得所有的電流；另外如果R后面接放大器時，放大器的內(nèi)部電阻是和R并聯(lián)的，這將使得Is流過的等效電阻變得不確定。因此通常不采用直接電阻轉(zhuǎn)換的方法。采用跨阻放大的方法，如圖所示，Is全部流過反饋電阻Rf，與負(fù)載的大小無關(guān)，所以就能正確地從電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。在此類應(yīng)用中，OP放大器的偏流Ib與信號一起流過Rf，再考慮到偏置電壓Vio，輸出為：因此Rf不宜過大，否則放大器的偏流將在Rf上行程較大的偏壓，當(dāng)需要更大的轉(zhuǎn)換電

7、阻時，可以考慮采用T型網(wǎng)絡(luò)的方法來提高放大倍數(shù)，同時避免過大的輸出偏壓。U3和U2組成高通濾波電路是為了在測量中除去電路中的1/f低頻噪聲，根據(jù)3dB截止頻率fc的估算公式1/2RC，C1取0.1uF，R3取1K，3dB截止頻率約為1.6KHz。參考：光敏二極管通常溫度系數(shù)比較大，故很少用于光強的精確測量。光敏二極管的等效電阻室溫下比較大，約為1000M，溫度升高10度減少一半。等效電容隨結(jié)面積和二極管偏壓變化，零偏壓下典型值50pF。光伏模式：零偏置，無暗電流，線性度好，低噪聲（熱噪聲，等效電阻引起），精密應(yīng)用光導(dǎo)模式：反偏置，有暗電流，非線性，較高噪聲（熱噪聲散粒噪聲，導(dǎo)電引起），高速應(yīng)用

8、對放大器的要求：高阻應(yīng)用中，放大器偏流必須很小，精確測量數(shù)十pA范圍的光電二極管電流，運放的偏流不應(yīng)大于數(shù)pA。OP07偏流高達(dá)4000pA，帶偏流補償?shù)某p極型運放OP97在室溫下偏流約為100pA，適用于高溫場合。所以通常選擇帶FET輸入的靜電計級運放，但只能工作于有限溫度范圍內(nèi)，如AD549，AD645，AD795等，采用JFET輸入級，BiFET工藝，將失調(diào)電壓和失調(diào)電壓漂移減至最低。工藝要求：1. 另外必須注意實際電路中潛在的泄漏路徑：在125度時，長1英寸的PCB上相隔0.05英寸的平行導(dǎo)電印制線具有大約1011歐姆的泄漏電阻，若兩條印制線之間存在15V電壓，將有150pA的電流流

9、動。2. 反饋電阻應(yīng)用玻璃絕緣的陶瓷電阻或玻璃上的薄膜電阻。3. 補償電容應(yīng)具有聚丙烯或聚苯乙烯介質(zhì)。4. 連線足夠短，電纜盡可能采用聚四氟乙烯絕緣。5. 將放大器的輸入與印制電路板上的大電壓梯度進行隔離，減少寄生泄漏電流。保護措施是一種環(huán)繞輸入線路的低阻抗連接，通過將泄漏轉(zhuǎn)移到遠(yuǎn)離敏感節(jié)點的方法來緩沖泄漏。6. 對于偏流極小的應(yīng)用場和，如利用輸入偏流為100fA的AD549的場合，所有與該運放輸入端的連線都應(yīng)接到?jīng)]有玷污過的聚四氟乙烯隔離絕緣端子上。而不穿過印制電路板上的通孔，印制電路板本身需要仔細(xì)清潔，然后用優(yōu)質(zhì)共形涂覆材料加以密封，防止?jié)駳夂突覊m侵入。7. 整個電路應(yīng)當(dāng)用接地金屬屏進行良

10、好屏蔽，以防止接受雜散信號。失調(diào)電壓和漂移分析；1. 光敏二極管等效電阻隨溫度的變化對電路的直流噪聲增益產(chǎn)生劇烈的影響。2. 電路每升高10度，偏流加倍。3. 熱電勢，不同溫度下不同金屬之間進行電氣連接將產(chǎn)生熱電勢。最好是相同材料，相同溫度。4. 主要因素為偏流，因此最好降低放大器工作電壓，降低輸出驅(qū)動要求，采取散熱措施。5. 輸入失調(diào)電壓可以通過外部失調(diào)調(diào)零電路。帶寬：信號帶寬由補償電容決定，閉環(huán)帶寬則由增益帶寬積決定。較小的補償電容得到較大的信號帶寬，但相位容限也相應(yīng)減少。低頻增益由電阻決定，高頻增益由電容決定。增大補償電容，降低高頻噪聲增益，降低信號帶寬，但積分帶寬增大，即閉環(huán)帶寬增大。

11、后續(xù)增加簡單的德濾波器就能顯著降低輸出噪聲，主要是濾去了大部分閉環(huán)帶寬內(nèi)的噪聲，此時電阻噪聲和電流噪聲便成為噪聲主要來源。噪聲分析：單極點帶寬變成等效噪聲帶寬，需要乘上系數(shù)1.57（/2），電阻器的熱噪聲為：VR（4kTR）1/2，k為玻爾茲曼常數(shù)：1.38*10-23J/K，25度時1k的電阻噪聲譜密度為4nV/Hz1/2，其它電阻的熱噪聲可以通過將4nV乘以電阻值與1k之比的平方求得。失調(diào)調(diào)零電路比失調(diào)調(diào)零腳的效果好，原因在于調(diào)零腳每調(diào)零1mV，失調(diào)電壓的溫度系數(shù)增加3uV/oC。3 有源帶通濾波器在放大電路中限制通頻帶是抑制干擾和噪聲很有效的一種方法。信號功率往往只限在很窄的頻率范圍之內(nèi)

12、，而白噪聲是系統(tǒng)中固有的噪聲，其頻譜范圍很寬，如果信號放大過程中用濾波器僅濾出信號頻譜能量，抑制其他頻率的能量通過，則能顯著提高系統(tǒng)信噪比。電路如圖所示，二階有源濾波器的設(shè)計公式如下：a) 電路的電壓增益其中：b) 帶通濾波器的中心頻率f0c) 中頻增益Hd) 品質(zhì)因素Qe) 帶寬f電容器比較難以調(diào)節(jié)，所以設(shè)計這種電路時，往往假設(shè)CC1C2，且C是某個實際固定值。三個電阻R1、R2和R3對濾波器性能的影響如下式所示：由上可知：a) R1影響f和Hb) R2影響f0、f和H，但是對f和H的影響很小c) R3只影響f設(shè)計步驟如下：a) 根據(jù)放大器uA741在f0處的開環(huán)增益檢查中頻增益H的合理性在

13、f0等于5KHz時，開環(huán)增益Av約為500，而H5，因此H0.01Av(f0)，這樣，即使Av變化100，也能保證H的變化不大于1。b) 根據(jù)運放的輸入偏置電流對R3進行估值令CC1C20.01uF，Q取10，由此對R3進行估值若R3取63.7K，根據(jù)運放uA741的輸入偏置電流Ib的求輸出直流偏移VooIbR3800nA×63.7K51mV。若輸出信號在5V左右，則誤差在1%左右。c) 計算R1d) 計算R2e) 驗證H、Q和f三、光電報警電路電路如圖所示，用LF353配置成一個比較放大器。放大器的正端加2V的左右的偏壓，負(fù)端加信號電壓。當(dāng)光線未阻斷時，從主放大器來的交流信號經(jīng)二極

14、管檢波電路，再經(jīng)C2低通濾波后得到直流電壓，使后面的放大器負(fù)輸入端電位大于（等于）正輸入端電位，則放大器輸出電壓近似為零，LED管截止，不發(fā)光。當(dāng)光線被阻斷時，信號消失，放大器只有正端加正電壓，輸出為正電壓，LED管導(dǎo)通發(fā)出紅色光以示報警。C1和R1是承接主放大電路的高通濾波部分，其截止頻率為D1和R3組成二極管檢波電路，同時R3作為C2的放電通道，D1導(dǎo)通時C2開始充電，設(shè)輸入信號經(jīng)高通濾波后通過二極管半波整流后的有效值為0.45Vrsm，Vrsm是輸入脈沖幅度的最大值，此處設(shè)為4V，則C2充電的最終值約為0.45×41.8，考慮到R2對C2的放電效應(yīng)，實際電壓應(yīng)該小于1.8V，此

15、處估計C2的最終充電電壓為1.7V。在本設(shè)計中C2的放電時間顯得更為重要，它決定了系統(tǒng)的時間靈敏度，如果光脈沖在被阻斷的一瞬間，C2上的電壓還沒有降到預(yù)定值1V以下，則會出現(xiàn)漏報錯誤，根據(jù)5KHz的光脈沖頻率可知光脈沖周期為0.2mS，每次留給C2的放電時間只有半個周期，即0.1mS，即在這個時間內(nèi)C2上的2V電壓無法通過R3放電而降到預(yù)定值1V以下，設(shè)靈敏度為10mS，即出現(xiàn)1mS的光脈沖被阻斷，C2上的電壓在T2=1mS的時間段放電至1V以下而發(fā)出警報，當(dāng)C2取10uF時可知：C2的充電電壓達(dá)到1V時LF353組成的比較放大器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，C2充電電壓達(dá)到1.6V左右時輸出應(yīng)該接近零，而圖中反相放大倍數(shù)設(shè)計為4，正相放大倍數(shù)為5，因此為了使輸出端接近零，LF353的正相輸入端電壓大約為4×1.7/5=1.36V。由此可以大致確定R5和R6的值。當(dāng)光脈沖信號被阻斷時，C2的電壓近似為零（實際不為零），則LF353的輸出應(yīng)該在6.8V（1.36×56.8）附近，LED應(yīng)該加上幾百歐姆的