光發(fā)射與光接收電路設(shè)計(jì)

一、設(shè)計(jì)題目數(shù)字信號(hào)發(fā)生和數(shù)字光發(fā)射/光接收電路設(shè)計(jì)二、設(shè)計(jì)要求本設(shè)計(jì)要求對(duì)數(shù)字光信號(hào)進(jìn)行發(fā)射和接收兩部分的設(shè)計(jì)。要求發(fā)射電路能達(dá)到一定的信噪比，并要求發(fā)射信號(hào)有較高的消光比（大于50%）。整個(gè)電路工作在2MHz的頻率左右，要求系統(tǒng)有較好的幅頻響應(yīng)。三、分析設(shè)計(jì)工作原理：數(shù)字信號(hào)0、1,對(duì)應(yīng)的電信號(hào)為高電平和低電平，可通過LED將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，將信號(hào)發(fā)出，數(shù)字信號(hào)體現(xiàn)在光強(qiáng)度的強(qiáng)弱變化上，完成數(shù)字光信號(hào)的發(fā)射。接收端可用PIN將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由于轉(zhuǎn)換成的電信號(hào)幅度較小，所以接收端應(yīng)該做成一個(gè)放大電路，將有用的電信號(hào)提取放大，完成光信號(hào)的接收。數(shù)字信號(hào)的產(chǎn)生可由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生，即可產(chǎn)生0、1數(shù)字信號(hào)。接受端檢測(cè)信號(hào)用示波器顯示。模塊分解：1.發(fā)射電路：（其中R3代替LED）VCC

"C功能設(shè)計(jì)；發(fā)射電路通過信號(hào)源輸入數(shù)字信號(hào)，信號(hào)到達(dá)LED,通過LED完成電光轉(zhuǎn)換,把數(shù)字電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，而光的強(qiáng)弱分別表示數(shù)字信號(hào)的1、0；接受電路通過PIN將發(fā)射電路產(chǎn)生的光信號(hào)接受，并且將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號(hào)，隨后經(jīng)過接受電路的放大部分將有用的數(shù)字信號(hào)提取放大，并在示波器上顯示出來。其中數(shù)字信號(hào)頻率要求在2M左右。元件參數(shù)：1.信號(hào)發(fā)生器；2.示波器；3.直流電源；4.面包版；5.三極管（90182只）；6.電阻若干；7.電容若干；8.導(dǎo)線若干；9.LED；10.PIN。四、實(shí)驗(yàn)調(diào)試1、光信號(hào)發(fā)射電路部分：圖1為數(shù)字光信號(hào)的發(fā)射電路。從圖中可知，信號(hào)源用的是峰峰值為1V頻率為2MHz的矩形波。電阻R5為三極管的b極加偏置，使三極管工作在合適的區(qū)域內(nèi)。R6代替LED進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，R3分直流入地，使得R6上的直流分量不要太高，從而達(dá)到較好的消光比。電容C2要求相當(dāng)小用以濾除電路中的高頻成分。這個(gè)電路仿真下來的波形如圖2所示圖中綠色波形為輸出信號(hào)，紅色波形是參考的輸入信號(hào)。由圖2可以看出信號(hào)幅度和頻率基本沒什么變化，消光比大約在50%左右。由圖又可以看出經(jīng)過LED的直流電流約為110mV左右，符合要求。

C1

Tl-

4.7uF4.7uFQ22N2714徐示波器-KSCIT1**T2時(shí)間I'd'd.137um199.360us通道_A1.6'd4V754.749mV通道_E1.LILILIV0.LILILIVT2-T1223.602ns-939.645mV-1.LILILIVC1

Tl-

4.7uF4.7uFQ22N2714徐示波器-KSCIT1**T2時(shí)間I'd'd.137um199.360us通道_A1.6'd4V754.749mV通道_E1.LILILIV0.LILILIVT2-T1223.602ns-939.645mV-1.LILILIV比例|200ns/Div一比例|1V/Div比例|1V/Div一二耳邊沿F+］「X位置Y位置,0Y位置,0電平,0時(shí)返她皿血山時(shí)應(yīng)用齊白土類型正弦怖唱目動(dòng)|市2、光信號(hào)接收電路部分接收部分同樣用三極管搭建電路，如圖3所示。由于PIN的輸出信號(hào)相當(dāng)弱，所以我們用一個(gè)5mV的電壓源代替，信號(hào)仍然近似為2MHz的矩形波。電容C1、C4用以隔直流。C2引高頻信號(hào)入地，降低電路中的噪聲影響。電阻R1、R4提供偏置，這里，偏置使三極管工作在截止區(qū)，這樣有利于對(duì)數(shù)字信號(hào)的放大和接收。這個(gè)電路的仿真結(jié)果如圖4所示。同樣，綠色波形為輸出。由圖可以

看出輸出有反相，這是因?yàn)殡娐肥枪舶l(fā)射集的。標(biāo)尺測(cè)出數(shù)據(jù)顯示在輸入為5mV的時(shí)候，信號(hào)被放大了50多倍。在實(shí)際操作中，這個(gè)增益并不是恒定的。因?yàn)殡娐饭ぷ髟诮刂箙^(qū)，使得電路在小信號(hào)輸入時(shí)增益較高，大信號(hào)輸入時(shí)增益較小。是軟件仿真的結(jié)果的實(shí)際器件。4接受和發(fā)射電路的仿真結(jié)果都可以使電路工作在2MHz的高頻率上，但這只實(shí)際操作中會(huì)發(fā)現(xiàn)，情況并沒有這么理想，盡管仿真均采用是軟件仿真的結(jié)果的實(shí)際器件。4主要出現(xiàn)的問題與解決方法：.理論仿真的結(jié)果與實(shí)際連接的電路結(jié)果有較大的差距；最終改進(jìn)電路，調(diào)整元件參數(shù)來達(dá)到要求。.連入LED和PIN后電路信號(hào)的頻率達(dá)不到2M,而只有400K左右；老師講解使我們明白原因：接受電路參數(shù)不匹配。.實(shí)際搭電路過程中出現(xiàn)許多問題；通過耐心調(diào)試、檢查，解決了這些問題。五、設(shè)計(jì)結(jié)果電路仿真過程完成后，即開始了硬件實(shí)現(xiàn)過程。這個(gè)過程是相當(dāng)重要的，它直接檢驗(yàn)電路設(shè)計(jì)的是否合理，并要求我們?cè)趯?shí)踐過程中解決問題。按照仿真電路搭建完硬件電路后，用示波器測(cè)試，修改了部分參數(shù)得到了以下結(jié)果。1、對(duì)于發(fā)射電路，萬用表測(cè)出的電路靜態(tài)工作點(diǎn)為：Vb=1.20V,Vc=3.76V,Ve=0.40V。動(dòng)態(tài)工作參數(shù)（有效值）為：Vb=0.77V,Vc=3.06V,Ve=0.25V。2、對(duì)于接收電路，萬用表測(cè)出的電路靜態(tài)工作點(diǎn)為：Vb=3.25V,Vc=3.34V,Ve=2.53V。動(dòng)態(tài)工作參數(shù)（有效值）為：Vb=3.02V,Vc=3.53V,Ve=2.31V。3、以上結(jié)果是各部分電路單獨(dú)工作時(shí)的參數(shù)，接上光器件LED和PIN后，將將部分電路連接在一起，測(cè)試整個(gè)系統(tǒng)的幅頻響應(yīng)，和LED輸出的光功率值。其中用光功率計(jì)測(cè)出LED的功率值是-17.25dBm,即18.7|1亞。此時(shí)LED上的電壓峰峰值為358mV,直流分量為183mV,所以流過LED的直流電流成分為18.3mA這個(gè)值基本上處在LED的P-I特性曲線的線性區(qū)內(nèi)，但是還不夠理想。系統(tǒng)的幅頻響應(yīng)可用下表列出：頻率'輸出\輸入0.511.525002.32.322.342.368K2.162.182.182.18400K2.10（失真）2.202.302.32表中頻率單位為：Hz電壓?jiǎn)挝粸椋篤pp輸出的波形：（1）500Hz時(shí)的波形:(2)8K時(shí)的波形:現(xiàn)分析一下表中數(shù)據(jù)。當(dāng)電路工作在8K的頻段時(shí)，輸出有較好的幅度響應(yīng)，整個(gè)電路在500?400K這個(gè)頻率范圍內(nèi)工作都比較正常，所以這個(gè)電路的帶寬約為400K，離老師要求的2M有較大差距。另外輸出信號(hào)幅值隨輸入信號(hào)幅值的增大而增大，但是增幅不明顯。六、心得體會(huì)本次課程設(shè)計(jì)要求完成一套數(shù)字光發(fā)射，光接受電路。并且要求數(shù)字信號(hào)的頻率在2M左右。所應(yīng)用的知識(shí)是模電的知識(shí)。開始設(shè)計(jì)之前，我們小組參考并查閱了網(wǎng)上的相關(guān)技術(shù)資料以及LED和PIN的工作特性參數(shù),而LED與PIN也是我們這學(xué)期光電子學(xué)和光纖通信里面的內(nèi)容。我們認(rèn)真的設(shè)計(jì)電路，并調(diào)整電路各個(gè)器件的參數(shù)，來達(dá)到要求?？墒窃陔娔X上面仿真的結(jié)果和實(shí)際電路存在著很大差距，在電腦上面仿真的近乎完美的電路，實(shí)際搭起來卻得不到理想的結(jié)果，而且存在很大的差距。實(shí)際可得到的器件并不是很理想，許多參數(shù)的器件都沒有，我們只好拿其他器件近似，這也是造成實(shí)際電路不理想的一方面原因。搭建好的實(shí)際電路存在著噪聲和失真，我們只能調(diào)整電路，改變里面器件的參數(shù)來達(dá)到更好的效果。好不容易搭建好了實(shí)際的電路，并且參數(shù)也基本符合要求了，可是等到老師給我們上實(shí)際的LED和PIN器件后，信號(hào)的頻率又掉了下來，只能最大