畢業(yè)論文光電計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)及制作

1、目錄摘要 2第一章 光電轉(zhuǎn)換部分 5 矚慫潤厲釤瘞睞櫪廡賴。§1.1 光源的基本特性和選擇 5 聞創(chuàng)溝燴鐺險(xiǎn)愛氌譴凈。1.1.1 熱輻射光源 5 殘騖樓諍錈瀨濟(jì)溆塹籟。1.1.2 氣體放電光源 5 釅錒極額閉鎮(zhèn)檜豬訣錐。1.1.3 固體發(fā)光光源 5 彈貿(mào)攝爾霽斃攬磚鹵廡。1.1.4 激光器 6 謀蕎摶篋飆鐸懟類蔣薔。§1.2 光電探測器 7 廈礴懇蹣駢時盡繼價(jià)騷。1.2.1 光伏探測器的原理 7 煢楨廣鰳鯡選塊網(wǎng)羈淚。1.2.2 光伏探測器的特性 9 鵝婭盡損鵪慘歷蘢鴛賴。1.2.3 快速硅 PIN光電二極管 10 籟叢媽羥為贍僨蟶練淨(jìng)。§1.3 光電信號輸出 1

2、1 預(yù)頌圣鉉儐歲齦訝驊糴。第二章 計(jì)數(shù)電路 12 滲釤嗆儼勻諤鱉調(diào)硯錦。§2.1 十進(jìn)制計(jì)數(shù)電路設(shè)計(jì) 12 鐃誅臥瀉噦圣騁貺頂廡。§2.2 顯示譯碼電路設(shè)計(jì) 14 擁締鳳襪備訊顎輪爛薔。§2.3 數(shù)碼顯示 15 贓熱俁閫歲匱閶鄴鎵騷。第三章 光電計(jì)數(shù)器電路的安裝及改進(jìn) 16 壇摶鄉(xiāng)囂懺蔞鍥鈴氈淚。§3.1 器件準(zhǔn)備 16 蠟變黲癟報(bào)倀鉉錨鈰贅。3.1.1 器件清單表 17 買鯛鴯譖曇膚遙閆擷凄。3.1.2 其它使用的儀器： 17 綾鏑鯛駕櫬鶘蹤韋轔糴。§3.2 電路連接 17 驅(qū)躓髏彥浹綏譎飴憂錦。3.2.1光電部分 17 貓蠆驢繪燈鮒誅髏貺廡

3、。3.2.2計(jì)數(shù)部分 18 鍬籟饗逕瑣筆襖鷗婭薔。3.2.3顯示譯碼部分 18 構(gòu)氽頑黌碩飩薺齦話騖。3.2.4顯示部分 18 輒嶧陽檉籪癤網(wǎng)儂號澩。§3.3 電路分步測試 19 堯側(cè)閆繭絳闕絢勵蜆贅。3.3.1光電二極管的測試 19 識饒鎂錕縊灩筧嚌儼淒。3.3.2 555 定時器的測試 19 凍鈹鋨勞臘鍇癇婦脛糴。3.3.3計(jì)數(shù)電路的測試 19 恥諤銪滅縈歡煬鞏鶩錦。3.3.4顯示電路的測試 20 鯊腎鑰詘褳鉀溈懼統(tǒng)庫。§3.4 電路總體調(diào)試 20 碩癘鄴頏謅攆檸攜驤蘞。§3.5 光電轉(zhuǎn)換電路改進(jìn) 20 閿擻輳嬪諫遷擇楨秘騖。3.5.1阻抗匹配改進(jìn) 20 氬嚕

4、躑竄貿(mào)懇彈瀘頷澩。3.5.2光電計(jì)數(shù)器適用性改進(jìn) 21 釷鵒資贏車贖孫滅獅贅。參考文獻(xiàn) 23 慫闡譜鯪逕導(dǎo)嘯畫長涼。致謝 錯誤! 未定義書簽。 諺辭調(diào)擔(dān)鈧諂動禪瀉類。摘要數(shù)字式計(jì)數(shù)器因?yàn)槠溆惺褂梅奖?，?jì)數(shù)精確，顯示直觀等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各行業(yè)生產(chǎn)線上的物件計(jì)數(shù)。本 論文利用光電二極管接收激光光源發(fā)射的光信號，并通過數(shù)字計(jì)數(shù)與顯示電路設(shè)計(jì)了一種光電計(jì)數(shù)器。當(dāng)物件從光 電二極管與激光器之間通過時會對光束進(jìn)行遮擋，光電二極管的電壓發(fā)生變化。該信號經(jīng)過放大和處理后，經(jīng)計(jì)數(shù) 電路和 LED 數(shù)碼管顯示計(jì)數(shù)的數(shù)值。該光電計(jì)數(shù)器可以將機(jī)械或者人工的計(jì)數(shù)方式轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮幼詣佑?jì)數(shù)，工業(yè)實(shí)用 性很強(qiáng)。 嘰覲詿縲鐋

5、囁偽純鉿錈。關(guān)鍵詞 : 光電二極管，激光器，計(jì)數(shù)器， LED 數(shù)碼管AbstractAs the digital counter has advantages in convenient using, accurate counting, direct display , it is widely used in industry production line for counting the objects.This paper designed a photoelectric counter,the photoelectric receivers optical signal sent

6、from the laser,and then through the digital count and display circuit.when objects cross the middle of the laser ,the beam will be kept out, photoelectric receiver's voltage would have a change.The voltage signal will be amplified and processed, then input it to the count circuit, and then the n

7、umber can be displayed on the LED digital display tube.The photoelectric counter can change mechanical counting or artificial counting into electronic automatic counting, it has strong industrial usability.熒紿譏鉦鏌觶鷹緇機(jī)庫。Key Words: photodiode,laser,counter,LED digital tube 鶼漬螻偉閱劍鯫腎邏蘞。引言隨著自動化技術(shù)的高速發(fā)展， 工業(yè)上

8、的生產(chǎn)越來越趨向于自動化。 在流水生產(chǎn)線中， 自動化的計(jì)數(shù)裝置已經(jīng)普及。采用自動化計(jì)數(shù)不僅可以提高生產(chǎn)計(jì)數(shù)的效率，還可以提 高計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確性。對于工業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)代化具有很大的推進(jìn)作用。生產(chǎn)自動化、設(shè)備數(shù)字 化、機(jī)電一體化不斷發(fā)展，工業(yè)中對光電計(jì)數(shù)器的需求量也逐漸在增大，因此，設(shè)計(jì)光 電計(jì)數(shù)器是十分具有現(xiàn)實(shí)意義的。 紂憂蔣氳頑薟驅(qū)藥憫騖。光電技術(shù)是一門以光電子學(xué)為基礎(chǔ)，將光學(xué)技術(shù)、現(xiàn)代微電子技術(shù)、精密機(jī)械及計(jì) 算機(jī)技術(shù)緊密結(jié)合，成為獲取光信息或借助光提取其他信息的重要手段的課程。光電技 術(shù)在現(xiàn)代科技、經(jīng)濟(jì)、軍事、文化、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮著極其重要的作用，以此為支撐的 光電子產(chǎn)業(yè)是當(dāng)今世界爭相發(fā)展的支柱產(chǎn)

9、業(yè)，是競爭激烈、發(fā)展最快的信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的 主力軍。光電技術(shù)迅速發(fā)展，半導(dǎo)體激光器、上千萬像素的 CCD 與 CMOS 固體圖像傳 感器、 PIN 與 APD 光電二級管及液晶顯示等在工業(yè)與民用領(lǐng)域隨處可見，熱成像技術(shù) 也已廣泛應(yīng)用于軍事和工業(yè)領(lǐng)域。光電技術(shù)不斷滲透到國民經(jīng)濟(jì)的各個方面，成為信息 社會的支撐技術(shù)之一。 穎芻莖蛺餑億頓裊賠瀧。光電計(jì)數(shù)器主要分為光電檢測轉(zhuǎn)換部分和電子顯示部分。 光電傳感器是一種將光信 號轉(zhuǎn)化為電信號的裝置，它實(shí)現(xiàn)工作的理論基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。光電效應(yīng)大致可以分成三 個類型：第一類就是外光電效應(yīng)，在光的照射下使電子從物質(zhì)的表面逸出；第二類是內(nèi) 光電效應(yīng)， 在光的照射下，

10、物質(zhì)的電阻率改變； 第三類是光生伏特效應(yīng)， 在光的照射下， 物質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生電動勢。實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換的器件主要有光電二極管、光電三極管、光電倍增管、光 電雪崩管等等。光電計(jì)數(shù)器的工作原理是，從光源發(fā)出一束集中的平行有效光，在流水 線上，每出現(xiàn)一個物體，就會對光進(jìn)行一次遮擋，光接收器無法接受到光源信息，電路 的光電流就會產(chǎn)生改變，經(jīng)過信號處理后計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)一次，即通過了一個器件。光電計(jì) 數(shù)器常用來統(tǒng)計(jì)成品數(shù)量和參加展會人數(shù)。 濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。計(jì)數(shù)技術(shù)在不斷發(fā)展和完善，出現(xiàn)了多種輔助計(jì)數(shù)功能。多功能計(jì)數(shù)器的響應(yīng)度較 高，功耗低，在交流和直流電源下都可以工作，無機(jī)械碰撞，無磨損，造價(jià)低等等。還 有很多依據(jù)實(shí)際

11、的工作環(huán)境添加了個性化功能，如毛線生產(chǎn)線上的斷線報(bào)警功能。通用 計(jì)數(shù)器不僅可測頻率、周期還可以測多周期平均、時間間隔、頻率比和累計(jì)等。由于光 電計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)理念的不斷創(chuàng)新，光電計(jì)數(shù)器的功能也在不斷發(fā)展。在電子計(jì)數(shù)器行業(yè)的 需求增長有所減緩的市場環(huán)境下，光電計(jì)數(shù)器需要大力進(jìn)行新產(chǎn)品的開發(fā)，以滿足客戶 的不同需求，提高產(chǎn)品的性價(jià)比，以期獲得更好的市場效益。 銚銻縵嚌鰻鴻鋟謎諏涼。第一章 光電轉(zhuǎn)換部分§1.1 光源的基本特性和選擇 光源在科學(xué)研究和工程技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用。 在成份分析、 結(jié)構(gòu)研究、光電檢測、 照明設(shè)計(jì)等方面，都離不開一定型式的光源。因此，為適應(yīng)各種高科技工作的實(shí)際需要 人們

12、生產(chǎn)了各種不同光學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的光源。在光電技術(shù)系統(tǒng)中，光源往往起著關(guān) 鍵的作用。因此，了解光源的基本特性參數(shù)，然后按照實(shí)際的工作需要選取合適光源， 是我們設(shè)計(jì)光電系統(tǒng)和解決光電檢測問題時成功的關(guān)鍵之一。 擠貼綬電麥結(jié)鈺贖嘵類。光源的基本特性參數(shù)主要包括輻射效率和發(fā)光效率、 光譜功率分布、 空間光強(qiáng)分布、 光源的色溫、光源的顏色。在進(jìn)行光源選擇的時候，主要會考慮一下幾點(diǎn)基本要求：1、對光源發(fā)光光譜特性的要求 2、對光源發(fā)光強(qiáng)度的要求 3、對光源穩(wěn)定性的要求 4、對 光源其它方面的要求 。本次設(shè)計(jì)不需要使用特殊光源，因此參考幾種常用光源的基本 特性進(jìn)行選擇： 賠荊紳諮侖驟遼輩襪錈。1.1.1

13、熱輻射光源熱輻射光源是基于物體的熱輻射現(xiàn)象制造的。熱輻射光源有三個特點(diǎn)：1、它們的發(fā)光特性都可以用普朗克公式進(jìn)行精確的估算， 即可以精確掌握和控制它們發(fā)光或輻射 性質(zhì)；2、它們發(fā)出的光通量構(gòu)成連續(xù)的光譜，且光譜范圍很寬，因此使用的適應(yīng)性強(qiáng)。 但在通常溫度下，紫外輻射和可見輻射含量很少，這又限制了這類光源的使用范圍；3、采用適當(dāng)?shù)姆€(wěn)壓或穩(wěn)流供電，可使者類光源的光輸出獲得很高的穩(wěn)定度。 塤礙籟饈決穩(wěn)賽釙冊 庫。1.1.2 氣體放電光源 利用該氣體放電原理制成的光源成為氣體放電光源， 蜜蜂在泡殼內(nèi)的氣體或金屬氣 體在電場的作用下激勵出電子和離子， 電子和離子從電場中獲得能量分別向陰極和陽極 運(yùn)動，它

14、們與氣體原子或分子碰撞時會激勵出新的電子和離子，這一過程中會引起原子 的激發(fā)，受激原子回到低能級時就會發(fā)射出輻射， 這既是氣體放電原理。 與白熾燈相比， 具有發(fā)光效率高、 結(jié)構(gòu)緊湊、壽命長以及光色適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)， 因而具有較強(qiáng)的競爭力， 在光電技術(shù)和照明工程中得到廣泛的應(yīng)用。 裊樣祕廬廂顫諺鍘羋藺。1.1.3 固體發(fā)光光源 固體在電場的作用下將電能直接轉(zhuǎn)換為光能的發(fā)光現(xiàn)象叫場致發(fā)光， 也稱為電致發(fā) 光。電子儀器的固體化和小型化、新的顯像技術(shù)和照明技術(shù)的需求以及半導(dǎo)體材料、集 成化技術(shù)和光電子技術(shù)的發(fā)展，大大加速了場致發(fā)光光源的研究和應(yīng)用，不但能使人們 得到全固化的光源，而且為全固化顯示開辟了途

15、徑。 倉嫗盤紲囑瓏詁鍬齊驁。目前常見的場致發(fā)光有三種形態(tài)，即粉末、薄膜和結(jié)型。有場致發(fā)光本領(lǐng)的固體材料很多，但達(dá)到實(shí)際應(yīng)用水平的主要是族和族化合物半導(dǎo)體。 族 化合物既是發(fā)光效率很高的光致發(fā)光和陰極射線發(fā)光材料， 亦是目前用于實(shí)際的唯一的 粉末和薄膜場致發(fā)光材料。族發(fā)光材料在發(fā)光二極管方面得到廣泛應(yīng)用。 綻萬璉轆 娛閬蟶鬮綰瀧。1.1.4 激光器激光器一般是由工作物質(zhì)、諧振腔和泵浦源組成。當(dāng)高能態(tài)離子從高能態(tài)躍遷到 低能態(tài)，產(chǎn)生輻射后，它通過受激原子時會感應(yīng)出同相位同頻率的輻射。這些輻射波沿 由兩平面構(gòu)成的諧振腔來回傳播時，沿軸線的來回反射次數(shù)最多，它會激發(fā)出更多的輻 射，從而使輻射能量放大。

16、這樣，受激和經(jīng)過放大的輻射就可以通過部分投射的平面鏡 輸出到腔外，產(chǎn)生激光。 1 圖 1 為激光器的工作原理。 驍顧燁鶚巰瀆蕪領(lǐng)鱺賻。泵浦源全反射 部分反射鏡圖 1. 激光器的工作原理目前已研制成功的激光器達(dá)數(shù)百種， 輸出波長范圍從近紫外直到遠(yuǎn)紅外， 輻射功率 從幾毫瓦至上萬瓦，一般按工作物質(zhì)分類，激光器可分為氣體激光器、固體激光器、染 料激光器和半導(dǎo)體激光器等 。 瑣釙濺曖惲錕縞馭篩涼。氣體激光器的激勵方式多樣， 發(fā)射波長也最廣。 固體激光器所使用的工作物質(zhì)是具 有特殊能力的高質(zhì)量的光學(xué)玻璃或光學(xué)晶體，里面摻入具有發(fā)射激光能力的金屬離子。 染料激光器以燃料為工作物質(zhì)。半導(dǎo)體激光器的工作物質(zhì)是

17、半導(dǎo)體材料。 鎦詩涇艷損樓紲鯗餳 類。本次實(shí)驗(yàn)需要光源可以發(fā)出一束集中的且強(qiáng)度足夠的可見光，因此采用半導(dǎo)體激 光器作為光源。半導(dǎo)體激光器是用半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)的一類激光器，由于物質(zhì)結(jié)構(gòu)上的差 異，產(chǎn)生激光的具體過程比較特殊。常用材料有砷化鎵( GaAs)、硫化鎘( CdS)、磷化 銦(InP)、硫化鋅 (ZnS)等。激勵方式有電注入、電子束激勵和光泵浦三種形式。半導(dǎo)體激光器件，可分為同質(zhì)結(jié)、單異質(zhì)結(jié)、雙異質(zhì)結(jié)等幾種。同質(zhì)結(jié)激光器和單異質(zhì)結(jié)激光 器室溫時多為脈沖器件，而雙異質(zhì)結(jié)激光器室溫時可實(shí)現(xiàn)連續(xù)工作。 櫛緶歐鋤棗鈕種鵑瑤錟。半導(dǎo)體激光器工作原理是激勵方式，利用半導(dǎo)體物質(zhì)（即利用電子）在能

18、帶間躍遷 發(fā)光，用半導(dǎo)體晶體的解理面形成兩個平行反射鏡面作為反射鏡，組成諧振腔，使光振 蕩、反饋、產(chǎn)生光的輻射放大，輸出激光。半導(dǎo)體激光器優(yōu)點(diǎn)是體積小，重量輕，運(yùn)轉(zhuǎn) 可靠，耗電少，效率高等。 轡燁棟剛殮攬瑤麗鬮應(yīng)。圖 2. 半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)激光器與普通光源相比，具有光束集中，亮度高等優(yōu)點(diǎn)，所以本次設(shè)計(jì)采用激光器 而不選擇普通光源。§1.2 光電探測器光電探測器是一種將輻射能轉(zhuǎn)換成電訊號的器件，是光電系統(tǒng)的核心組成部分，在 光電系統(tǒng)中個的作用是發(fā)現(xiàn)信號、測量信號，并為隨后的應(yīng)用提取某些必要的信息。 峴 揚(yáng)斕滾澗輻灄興渙藺。光電探測器按照探測機(jī)理的物理效應(yīng)可以分為兩大類： 一類是利用各

19、種光子效應(yīng)的 光子探測器，另一類是利用溫度變化效應(yīng)的熱探測器。 由于光源采用的是半導(dǎo)體激光器， 是可見光，因此探測器選用光子探測器。光子探測器可以分為四種： 詩叁撻訥燼憂毀厲鋨驁。光電子發(fā)射效應(yīng)也稱為光電效應(yīng)。 入射輻射的作用是使電子從光電陰極表面發(fā)射到 周圍的空間中，即產(chǎn)生光電子發(fā)射。利用光電子發(fā)射效應(yīng)的探測器稱為光電子發(fā)射探測 器，其中有真空光電管、充氣光電管和光電倍增管。 則鯤愜韋瘓賈暉園棟瀧。光電導(dǎo)是應(yīng)用最廣泛的光電子效應(yīng)。光子所激發(fā)的載流子仍保留在材料內(nèi)部，所以 光電導(dǎo)是一種內(nèi)光電效應(yīng)。利用光電導(dǎo)效應(yīng)的探測器是光電導(dǎo)探測器。 脹鏝彈奧秘孫戶孿釔賻。1.2.1 光伏探測器的原理光伏效應(yīng)

20、是另一種應(yīng)用廣泛的內(nèi)光電效應(yīng)，是半導(dǎo)體受光照射產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。 雖然非本征光伏效應(yīng)也是可能的，但幾乎所有實(shí)用的光伏探測器都使用本征的光伏效 應(yīng)。同時用 p-n 結(jié)來實(shí)現(xiàn)這種效應(yīng)的。 鰓躋峽禱紉誦幫廢掃減。當(dāng)入射光子在 p-n結(jié)產(chǎn)生電子 -空穴對時，光生載流子受勢壘區(qū)電場作用，電子漂移到 n區(qū)，空穴漂移到 p區(qū)。如果在外電路中把 p區(qū)和 n區(qū)短接，就產(chǎn)生反向的短路信號電流。假若外電路開路，則光生的電子和空穴分別在 n區(qū)和 p區(qū)積累，兩端便 產(chǎn)生電動勢，如圖 3 所示，這稱為光生伏特效應(yīng)。 稟虛嬪賑維嚌妝擴(kuò)踴糶。圖 3. p-n 結(jié)上的光電激發(fā)無光照時，若給 PN 結(jié)加上一個適當(dāng)?shù)姆聪螂妷?，則反

21、向電壓加強(qiáng)了內(nèi)建電場，使 PN 結(jié)空間電荷區(qū)拉寬，勢壘增大；被光照時，在結(jié)區(qū)產(chǎn)生的光生載流子被加強(qiáng)了的內(nèi) 建電場拉開，光生電子被拉向 N 區(qū)，光生空穴被拉向 P區(qū)，于是形成了以少數(shù)載流子漂 移運(yùn)動為主的光電流。 陽簍埡鮭罷規(guī)嗚舊巋錟。圖 4 為使用 Altium Designer 07 Winter 軟件繪制的光電二極管的工作電路圖，在光 電二極管上加上反向偏置電壓 15V。經(jīng)過仿真后得出結(jié)果：無光照時負(fù)載上輸出電壓為 低電平，有光照時，負(fù)載輸出電壓為高電平。 溈氣嘮戇萇鑿鑿櫧諤應(yīng)。圖 4. 光電二極管工作電路圖與普通二極管相比 ,光電二極管受光面大， PN 結(jié)面積更大， PN 結(jié)深度較淺；

22、表面有防反射的 SiO2 保護(hù)層，外加負(fù)向的偏置電壓。實(shí)際上，不是不能加正向電壓， 只是正接以后就與普通二極管一樣，只有單向?qū)щ娦?，而表現(xiàn)不出它的光電效應(yīng)。 鋇嵐縣 緱虜榮產(chǎn)濤團(tuán)藺。1.2.2 光伏探測器的特性 光電二極管的基本特性有光照特性、伏安特性、溫度特性和頻率特性。 （1）光照特性光照特性主要體現(xiàn)了光電流與光照度的關(guān)系，圖 5 是光電流與光照度的特性圖，由 圖 5 可知兩者之間的關(guān)系是：線性好 ; 光電流較小 ; 靈敏度低。 懨俠劑鈍觸樂鷴燼觶騮。Ee=20000lx5000lx2000lx1000lx-4 -8 -12V(V)圖 6. 光電二極管的伏安特性曲線3）溫度特性光電二極管的

23、溫度特性描述光電流和暗電流隨溫度變化的性質(zhì)， 硅光電二極管的溫 度升高，信噪比降低。（4）頻率特性光電二極管的頻率特性是所有半導(dǎo)體光電器件中最好的一種。 這主要是由于光電二 極管的結(jié)電容較?。ㄐ∮?20F） ；光生載流子在薄層中的擴(kuò)散時間及 PN 結(jié)中的漂移時 間較短，故其響應(yīng)頻率可以達(dá)到很高。 謾飽兗爭詣繚鮐癩別瀘。1.2.3 快速硅 PIN 光電二極管本次實(shí)驗(yàn)采用的光電二極管是 GT106 型快速硅 PIN 光電二極管。該光電二極管的 主要特點(diǎn)是響應(yīng)度高，響應(yīng)速度特別快；噪聲低、性能穩(wěn)定可靠。 咼鉉們歟謙鴣餃競蕩賺。PIN 結(jié)光電二極管在 p型和 n 型半導(dǎo)體之間加入一個本征區(qū)域，其表面做

24、得很薄， 使得入射輻射透入本征區(qū)內(nèi)被吸收，產(chǎn)生電子一空穴對。本征區(qū)內(nèi)的電場使電子一空穴 對分開，并快速通過本征區(qū)分別進(jìn)入 n 區(qū)和 p 區(qū)。器件的頻率響應(yīng)和效率都比用同樣材 料制作的 p-n 結(jié)光電二極管好。 瑩諧齷蘄賞組靄縐嚴(yán)減。光電二極管的光譜響應(yīng)曲線如圖圖 7.PIN 光電二極管結(jié)構(gòu)應(yīng)的目的。 麩肅鵬鏇轎騍鐐縛縟糶GT106 型快速硅 PINGT106 型快速硅 PIN 光電二極管采用硅 PIN 內(nèi)外管復(fù)合結(jié)構(gòu)。為保證極快的響應(yīng) 速度，采用背面蝕洞法，使 I 層盡量薄。這樣，載流子高速通過漂移區(qū)的時候，被電極 收集在外電路里就產(chǎn)生了光電流。用外管來短路慢速的光生載流子，從而實(shí)現(xiàn)了快速響圖

25、 8.PIN 光電二極管的光譜響應(yīng)曲線§1.3 光電信號輸出要實(shí)現(xiàn)光信號對電路的控制，即對光電二極管進(jìn)行持續(xù)照射，當(dāng)有物件通過時對光 進(jìn)行遮擋，輸出一次低電平，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)一次。光電轉(zhuǎn)換電路需要控制計(jì)數(shù)器的時鐘輸 入端，產(chǎn)生矩形脈沖波。經(jīng)過測試， GT106 型光電二極管的光電流為微安量級，因此在 偏置電路中加上 1M 歐的負(fù)載電阻，可以實(shí)現(xiàn)無光照時負(fù)載電阻上輸出低電平，有光照 時負(fù)載電阻上輸出高電平。但負(fù)載上的輸出情況與計(jì)數(shù)器所需要的時鐘信號是反向的， 因此將負(fù)載輸出連接到 555 定時器上，再對計(jì)數(shù)器進(jìn)行控制。 納疇鰻吶鄖禎銣膩鰲錟。555 定時器是一種多用途的數(shù)字 -模擬混合集成

26、電路， 利用它能極方便地構(gòu)成施密特 觸發(fā)器、多諧振蕩器或者單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。下面是 555 的引腳圖以及功能表。 風(fēng)攆鮪貓鐵頻鈣 薊糾廟。圖 9.555 定時器的引腳圖及功能表將 555定時器的 1和2 兩個輸入端連在一起作為信號輸入端， 即可以得到施密 特觸發(fā)器。施密特觸發(fā)器的輸出電壓 0 由高電平變?yōu)榈碗娖胶陀傻碗娖阶優(yōu)楦唠娖剿?對應(yīng)的 也不相同，這樣就形成了施密特觸發(fā)器的觸發(fā)特性。施密特觸發(fā)器的電壓傳 輸特性是回滯的。傳輸特性圖如下： 滅噯駭諗鋅獵輛覯餿藹。RD'LD'ETEPLXXXHLXXHHHHHHLXHHXL表 1. 四位同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器 74160 的功能表根據(jù)以上

27、分析，設(shè)計(jì)出光電轉(zhuǎn)換電路。使用仿真軟件繪制出電路圖第二章 計(jì)數(shù)電路§2.1 十進(jìn)制計(jì)數(shù)電路設(shè)計(jì)光電計(jì)數(shù)器需要對光電信號脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)， 利用 TTL 器件 74160 可以實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制的 計(jì)數(shù)，要實(shí)現(xiàn)兩位的計(jì)數(shù)，低位計(jì)數(shù)到 10 自動進(jìn)位，整體計(jì)數(shù)達(dá)到 99以后實(shí)現(xiàn)跳轉(zhuǎn)， 從 0 開始計(jì)數(shù)。使用兩個 160 接成計(jì)數(shù)電路。 74160 的 1 號引腳懸空， 2 號引腳為時鐘 輸入信號， 3、4、5、6 號引腳為預(yù)置數(shù)端，可以懸空可以接零， 7 號引腳 ENP 和 10 號 引腳 ENT 連接后接高電平，電路才可以工作在計(jì)數(shù)狀態(tài)， 11、 12、13、14 號引腳為輸 出信號端， 15 號

28、引腳為進(jìn)位輸出端，計(jì)數(shù)器產(chǎn)生進(jìn)位時自動輸出一次高電平。 74161的 功能表如表 1： 鐒鸝餉飾鐔閌貲諢癱騮。工作模式RESET (Clear) 清零LOAD (Pn Qn) 置數(shù)COUNT (Increment) 計(jì)數(shù) NO CHANGE (Hold) 保持(不變) NO CHANGE (Hold) 保持(不變)使用 protues軟件繪制電路圖，然后進(jìn)行仿真，計(jì)數(shù)部分的電路圖如圖11：圖 11. 計(jì)數(shù)電路圖最初設(shè)計(jì)方案是將低位 160 的進(jìn)位輸出端接到高位的時鐘輸入上， 在仿真時候發(fā)現(xiàn) 當(dāng)計(jì)數(shù)到 9 時進(jìn)位輸出端就會輸出信號，導(dǎo)致出現(xiàn)高位提前計(jì)數(shù)的情況。對電路進(jìn)行修 改，當(dāng)?shù)臀坏妮敵鲂盘枮?/p>

29、 0000時輸出進(jìn)位脈沖。 具體實(shí)現(xiàn)方法為在 Q0Q1Q2Q3端加上非門， 之后經(jīng)過四輸入與門，再作為高位計(jì)數(shù)器的時鐘信號。改動后對電路進(jìn)行仿真，在計(jì)數(shù) 器的四個輸出端加入示波器，波形輸出如圖 12，波形輸出檢測正常，為二進(jìn)制的計(jì)數(shù)。 攙閿頻嶸陣澇諗譴隴瀘。圖 12. 計(jì)數(shù)器輸出波形仿真結(jié)果§2.2 顯示譯碼電路設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)電路計(jì)數(shù)的結(jié)果需要通過譯碼器連接顯示電路。 譯碼器的邏輯功能是將每個輸 入的二進(jìn)制代碼譯成對應(yīng)的輸出高、低電平信號或另一個代碼。常用的譯碼器電路有二 進(jìn)制譯碼器、二 -十進(jìn)制譯碼器和顯示譯碼器三類。由于要使用七段共陰顯示數(shù)碼顯示 譯碼管，所以計(jì)劃采用顯示譯碼器 744

30、8。 趕輾雛紈顆鋝討躍滿賺。7448 的附加控制端的功能和用法如下：燈測試輸入 LT' ： LT'=0 ，便可使被驅(qū)動數(shù)碼管的七段同時點(diǎn)亮， 以檢查改數(shù)碼管 各段能否正常發(fā)光。平時應(yīng)置 LT' 為高電平。 夾覡閭輇駁檔驀遷錟減。滅零輸入 RBI' ： 設(shè)置滅零輸入信號 RBI' 的目的是為了能把不希望顯示的零熄滅。滅燈輸入 /滅零輸出 BI'/RBO' ：這是一個雙功能的輸入 / 輸出端，作為輸入端使用時， 成滅燈輸入控制端，控制信號為 0 時，可以將被驅(qū)動數(shù)碼管的各段同時熄滅。 視絀鏝鴯鱭鐘 腦鈞欖糲。將滅零輸入端和滅零輸出端配合使用，

31、即可實(shí)現(xiàn)多為數(shù)碼顯示系統(tǒng)的滅零控制。7448 的顯示功能表如表 2：表 2：用 7448 驅(qū)動數(shù)碼管，使用 protues 軟件畫出電路圖如圖 13：圖 13. 顯示譯碼電路§2.3 數(shù)碼顯示計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)經(jīng)過譯碼器后可以通過數(shù)碼管顯示。為了直觀地表示出數(shù)值，實(shí)驗(yàn)采 用了七段字符顯示器，或者稱之為七段數(shù)碼管。這種字符顯示器由七段可以發(fā)光的線段 拼接而成。其中比較常見的七段字符顯示器有半導(dǎo)體數(shù)碼管和液晶顯示器兩種。 偽澀錕攢 鴛擋緬鐒鈞錠。半導(dǎo)體數(shù)碼管的外形圖如圖 14 所示。這種數(shù)碼管的每個線段都是一個發(fā)光二極 管( Light Emitting Diode, 簡稱 LED),因而也將它

32、稱為 LED數(shù)碼管或者 LED七段顯示器 緦徑銚膾齲轎級鏜撟廟。圖 14. 七段數(shù)碼管外形圖發(fā)光二極管使用的材料與普通的硅二極管和鍺二極管不同，有砷化鎵、磷化鎵、磷 砷化鎵等幾種，而且半導(dǎo)體中雜質(zhì)濃度十分高。當(dāng)外加正向電壓的時候，大量的空穴和 電子在擴(kuò)散的過程中又復(fù)合，其中會有一部分電子從導(dǎo)帶躍遷到價(jià)帶，把多余的能量以 光的形式釋放出來，便可以產(chǎn)生出可見光。 騅憑鈳銘僥張礫陣軫藹。數(shù)碼管分為共陰極和共陽極兩種類型。陰極做在一起的屬于共陰極類型，陽極做在 一起的稱為共陽極類型。為了增加使用時候的靈活性，同一規(guī)格的數(shù)碼管一般都會有共 陰極和共陽極兩種類型供使用者進(jìn)行選擇。數(shù)碼管的等效電路圖以及引腳

33、分布如下： 癘 騏鏨農(nóng)剎貯獄顥幗騮。圖 15. 數(shù)碼管等效電路圖及引腳 半導(dǎo)體數(shù)碼管步進(jìn)具有工作電壓低，壽命長，體積小，性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，而且響應(yīng) 時間很短（一般不超過 0.1us） ，發(fā)光的亮度也很高，便于識別。 鏃鋝過潤啟婭澗駱讕瀘。 使用仿真軟件進(jìn)行仿真后數(shù)碼管顯示數(shù)值如圖 16 所示，其中引腳紅色代表高電平， 藍(lán)色代表低電平，圖示為顯示 2 的時候數(shù)碼管字符以及電平情況。 榿貳軻謄壟該檻鯔塏賽。圖 16. 數(shù)碼管仿真顯示結(jié)果第三章 光電計(jì)數(shù)器電路的安裝及改進(jìn)§3.1 器件準(zhǔn)備3.1.1 器件清單表表3器件名稱器件型號備注光電二極管GT106型快速硅 PIN 光電二 極管感應(yīng)波長

34、 4001100nm電源直流電源 15V1個電容10uF1個滑動變阻器200k1個電阻1M1個計(jì)數(shù)器SN74LS161AN2個顯示譯碼器SN74LS247N2個邏輯與門SN74HC08N1個邏輯非門HD74HC04P1個七段 LED 數(shù)碼管SM21052個555 定時器CB5551個3.1.2 其它使用的儀器：數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)箱一臺、萬用表一個、半導(dǎo)體激光筆一支、導(dǎo)線若干根。§3.2 電路連接3.2.1 光電部分根據(jù)事先設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行器件的連接。首先連接光電轉(zhuǎn)換電路。對光電二極管加上反向偏置電壓 15V。由于 PIN管有三個管腳，其中位于正中的是 1 號管腳，接正電壓。 與 1 號管腳平

35、行并在其右側(cè)的是 2 號管腳， 1、 2 為內(nèi)管， 2 號管腳通過負(fù)載電阻與電源 相連。3 號管腳為外管，通過負(fù)載電阻接地。在連接光電二極管時要注意復(fù)合管的內(nèi)外 管極性，內(nèi)管負(fù)載接信號輸出。電壓的極性不能接錯，最大反向偏壓不得大于或者等于 擊穿電壓。負(fù)載使用 1M 的電阻。 邁蔦賺陘賓唄擷鷦訟湊。負(fù)載電阻的輸出連接到 555定時器的 2號引腳，將 2號引腳和 6號引腳連接； 1 號 引腳接地； 4號引腳為選通工作端口，接高電平； 5號引腳懸空； 7號引腳懸空； 8號引 腳接高電平。 嶁硤貪塒廩袞憫倉華糲。3.2.2 計(jì)數(shù)部分最初的電路設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)部分用 74LS160 十進(jìn)制計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)，但是在實(shí)驗(yàn)

36、室沒有 74LS160，因此用 SN74LS161AN代替。 74LS161為十六進(jìn)制計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)方法與 74LS160 一樣，只是進(jìn)制不同。要計(jì)數(shù)到 99 后進(jìn)行跳轉(zhuǎn)，需要更改電路，用兩片 74LS161實(shí)現(xiàn) 100 進(jìn)制的計(jì)數(shù)。具體方法為：一片 74LS161作為低位，另一片作為高位。用置零法改 變進(jìn)制。低位計(jì)數(shù)器的輸出狀態(tài)為 1010 時復(fù)位，重新開始計(jì)數(shù)。將輸出 Q3Q1通過與非 門與置零端 RD'連接。再將 RD'通過非門連接到高位計(jì)數(shù)器的時鐘輸入端 CLK，作為時鐘 信號輸入。當(dāng)?shù)臀惠敵龅?9 之后，輸出一個時鐘信號，高位計(jì)數(shù)器啟動，開始計(jì)數(shù)，實(shí) 現(xiàn)進(jìn)位的功能。 高

37、位計(jì)數(shù)器將輸出信號 Q3Q0通過與非門與置零端 RD'連接，保證計(jì)數(shù)到 99的時候計(jì)數(shù)器跳轉(zhuǎn)，重新從 1開始計(jì)數(shù)。 該櫟諼碼戇沖巋鳧薩錠。3.2.3 顯示譯碼部分實(shí)驗(yàn)使用 SN74LS247N作為顯示譯碼器， SN74LS247N的引腳編號及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 17：圖 17.74LS247 引腳編號及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖由圖可知， 74LS247的引腳以及功能與 7448 是一樣的，因此 74LS247的連接可以參 照原設(shè)計(jì)電路圖。將低位 74LS247的 RBO端接到高位 74LS247的 RBI 端上，即可實(shí)現(xiàn)高 低位的譯碼。 劇妝諢貰攖蘋塒呂侖廟。3.2.4 顯示部分顯示器使用實(shí)驗(yàn)室已有的 L

38、ED七段顯示數(shù)碼管 SM2105。SM2105是共陽極數(shù)碼管。 參照其工作電路，將數(shù)碼管的 3、8號管腳接陽極 +5V電壓，a、b、c、d、e、f、g 七個 顯示段端口通過 1千歐電阻接地。同時與 74LS247對應(yīng)的 a、b、c、d、e、f 、g 端口連 接。小數(shù)點(diǎn)輸入端口 DP懸空。 臠龍訛驄椏業(yè)變墊羅蘄。對數(shù)碼管的顯示功能進(jìn)行測試，將低電平分別接到 a、b、c、d、e、f 、g 端口，看 對應(yīng)的顯示段是否亮燈。經(jīng)測試，數(shù)碼管的各段均可以正常顯示。 鰻順褸悅漚縫囅屜鴨騫。§3.3 電路分步測試3.3.1 光電二極管的測試將后續(xù)電路斷開，只保留光電二極管的偏置回路，測試光電二極管是

39、否可以正常 工作。把萬用表調(diào)到歐姆檔，測量光電二極管的正向和反向電阻，理論上是正向?qū)ǎ?反響電阻無限大，處于截止?fàn)顟B(tài)。然后把萬用表調(diào)到電壓測量檔位，量程選為5V 。測量負(fù)載 1M 歐電阻上的電壓。用氦氖激光筆照射光電二極管的光窗。無光照時二極管截 止，測量出的電壓很??；有光照時，電壓接近 5V。用邏輯筆進(jìn)行測量，無光照時邏輯 筆顯示低電平，綠燈亮；有光照時，邏輯筆顯示高電平，紅燈亮。證明光電二極管可以 正常工作，光電轉(zhuǎn)換電路連接無誤。 穡釓虛綹滟鰻絲懷紓濼。3.3.2 555 定時器的測試555 定時器具有脈沖整形的功能，電路設(shè)計(jì)要求 555 定時器在輸入為低電平的時候 輸出高電平，輸入為高

40、電平時輸出脈沖波形的低電平。因此將定時器輸入端口2 號引腳連接高電平，輸出端 3 號引腳接邏輯筆，此時邏輯筆綠燈亮，顯示輸出為低電平。然后 講 2 號引腳接地或者接 5V 電壓，邏輯筆的紅燈亮，表示輸出以及成為高電平。由此 可得， 555 定時器可以正常工作。 隸誆熒鑒獫綱鴣攣駘賽。3.3.3 計(jì)數(shù)電路的測試計(jì)數(shù)電路獨(dú)立于光電轉(zhuǎn)換和譯碼顯示電路單獨(dú)進(jìn)行測試。將計(jì)數(shù)器的低位集成塊 74LS161的時鐘輸入端，即 2 號引腳連接到實(shí)驗(yàn)箱自帶的脈沖信號上，調(diào)節(jié)輸入頻率為 1KHz 。計(jì)數(shù)器的輸出端一共 8 個引腳，分別按照從高到低的順序接到實(shí)驗(yàn)箱的 8 個邏 輯電平顯示燈上，該顯示燈在輸入為高電平的

41、時候發(fā)光。打開實(shí)驗(yàn)箱的電源，自動輸入 脈沖，可以看到顯示燈從 00000001 開始計(jì)數(shù)，顯示 00001001 之后高位開始計(jì)數(shù)，下一 個狀態(tài)為 00010000，計(jì)數(shù)值為 10011001 之后，下一個數(shù)值跳轉(zhuǎn)，重新開始計(jì)數(shù)。表示 計(jì)數(shù)電路可以正常工作，且進(jìn)制連接正確。 浹繢膩叢著駕驃構(gòu)碭湊。3.3.4 顯示電路的測試之前已經(jīng)測試了計(jì)數(shù)電路，因此可以利用計(jì)數(shù)電路對顯示電路進(jìn)行測試。連接計(jì)數(shù) 電路和顯示電路， 然后在低位計(jì)數(shù)器時鐘輸入端接上時鐘脈沖， 觀察數(shù)碼顯示管的數(shù)值。 顯示管的示數(shù)從 1開始計(jì)數(shù)到 99，之后跳轉(zhuǎn)到 1 重新計(jì)數(shù)。數(shù)碼管的低位左下角那段時 鐘處于熄滅狀態(tài)。 經(jīng)檢查由于

42、e 端口與 74LS247 的連接導(dǎo)線松動， 導(dǎo)致一直沒有信號輸 入。更換導(dǎo)線后，重新測試。數(shù)碼管從 1開始顯示直至 99后跳轉(zhuǎn)，重新從 1 開始。沒 有出現(xiàn)亂碼和滅燈情況，顯示部分正常工作。 鈀燭罰櫝箋礱颼畢韞糲。§3.4 電路總體調(diào)試將電路各個部分連接起來，對光電二極管的光窗進(jìn)行持續(xù)的激光照射。打開實(shí)驗(yàn)箱 的電源，理論上此時應(yīng)該無顯示。關(guān)閉光源開關(guān)，顯示應(yīng)變?yōu)?01，而實(shí)際上數(shù)碼管并沒 有正常顯示。電路沒有正常工作，需要進(jìn)行檢查。 愜執(zhí)緝蘿紳頎陽灣熗鍵。斷開實(shí)驗(yàn)箱的電源，對每個接口導(dǎo)線進(jìn)行檢查，看有無松動情況。確認(rèn)導(dǎo)線連接穩(wěn) 固之后排除接觸不良的可能，因此對電路參數(shù)進(jìn)行測量。計(jì)數(shù)

43、部分是數(shù)字電路，之前的 測試沒有問題。因此只需要對光電部分進(jìn)行測量。用萬用表測量負(fù)載上的電壓。光電部 分沒有與計(jì)數(shù)部分和顯示部分連接時，電壓依舊為正常的高低電平值。但是當(dāng)光電部分 作為輸出與后續(xù)電路連接之后，負(fù)載上的電壓立即改變，給光電二極管加上光照后，負(fù) 載電壓只有很微小的變化，沒有明顯高低電平的分界線。因此，對于 555 定時器來說， 這種微小的電壓改變不足以讓 555 定時器交替輸出高低電平， 計(jì)數(shù)器接收不到脈沖信號， 所以不會產(chǎn)生計(jì)數(shù)值。 貞廈給鏌綞牽鎮(zhèn)獵鎦龐。下面來分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因。光電轉(zhuǎn)換部分單獨(dú)工作時正常，連接上計(jì)數(shù)顯示 電路就不能正常輸出?？紤]到本次實(shí)驗(yàn)將電阻負(fù)載上電壓作

44、為信號源輸出，當(dāng)連接上后 續(xù)電路時，相當(dāng)于在 1M 歐電阻上并聯(lián)上一個電路模塊，而后面的電路模塊總電阻遠(yuǎn)小 于 1M 歐，與負(fù)載電阻并聯(lián)后會減小電阻值，相當(dāng)于光電二極管的負(fù)載只有10K 左右，而光電二極管的光電流極小，為微安量級，負(fù)載減小之后，光生電壓就只有毫伏量級， 不足以控制 555 定時器。因此，考慮到光電轉(zhuǎn)換部分的高阻情況， 需要對電路進(jìn)行修改。 嚌鯖級廚脹鑲銦礦毀蘄。§3.5 光電轉(zhuǎn)換電路改進(jìn)3.5.1 阻抗匹配改進(jìn)為了不改變光電二極管的負(fù)載，只能避開后續(xù)電路的電阻。 555 定時器的輸出端和 選通端 RD'之間只有幾個邏輯門。 555定時器的 3個5K 歐電阻不連

45、入電路， 就不會影響 二極管的負(fù)載。因此可以讓負(fù)載輸出與 RD'相連，直接控制 555 定時器的啟動與關(guān)閉。 高電平時 555 啟動，低電平關(guān)閉。而理論要求有光照的時候不計(jì)數(shù)，出現(xiàn)一次光遮擋計(jì) 數(shù)一次，即輸出低電平時產(chǎn)生時鐘信號，高電平停止計(jì)數(shù)。需要使 555 定時器可以在啟 動時只產(chǎn)生一次時鐘輸入。 薊鑌豎牘熒浹醬籬鈴騫。根據(jù)以上需求，可以將 555 定時器連接成一個低頻的多諧振蕩器，啟動時輸出一次 高電平，這個高電平的維持時間要相對長， 至少大于一個被計(jì)數(shù)物件通過傳送帶的時間，否則會出現(xiàn)一個物件通過器件計(jì)數(shù)兩三次的情況?？刂贫嘀C振蕩器的振蕩周期為 1s 以 上。首先將 555定時器接成一個施密特觸發(fā)器，然后將 555 定時器的 2 號管腳通過一個 10uF的電容接地，輸出 3 號管腳通過一個 100K 歐的電阻與 2 號管