完整word版发光物自动跟踪电路设计.docx

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完整word版发光物自动跟踪电路设计

《现代电子技术及应用》课程大作业

发光物自动跟踪电路设计

姓名张欣怡

班级光信1501

学号2015010483

二0一七年十二月22日

发光物自动跟踪电路

实验要求

发光物，自动探测光斑位置并控制云台跟踪

探测光斑位置；抗其他光源干扰；控制云台（电机）

实验目的和意义

1、理解各种通用、专用集成运算放大器的工作原理、特性，能够利用这些集成芯片实现交直流信号放大、运算等各种处理；

2、能够实现电信号转换；

3、掌握调制解调技术的原理、特性和实现方法并能将之应用在实际系统中。

实验原理和实现方法

一、总体介绍

（1）激光光源部分：

555实现方波信号，调制激光光源。

（2）追踪器部分：

由光电探测原理可知，每个象限输出的电信号（电流）强弱与该象限探测器光敏面接收到的光能量多少是一致的。

但严格来讲，分布在四角限上的光斑能量是不均匀的，通常是呈高斯分布的，要计算每个象限的光能量必须用积分的方法。

但在要求不太高的情况下可近似的把光斑的分布看成是均匀的，若光束光斑的光强度是均匀分布的，则落到每个象限中的光能量与该象限中的光斑大小是成正比例的。

通过四象限探测器测量出由激光束的光斑位置变化引起的电流变化，得到光斑的两个方向的偏移量，从而来确定光斑中心位置。

图1，坐标计算公式

利用LM324实现流压转换，AD633实现解调，741实现滤波、加（减）法器，AD538实现除法器

（3）云台部分：

功放是将AD538除法器的输出放大，用来驱动电机的模块。

放大倍数G是由电阻R1和R2的比值决定的，即。

设计思路如下图所示：

图2，设计思路

二、分模块介绍

注：

本实验设计为两象限追踪系统实现了水平方向上发光物追踪功能

1、光源调制

a、电路分析

选用555定时器产生方波，利用三极管可作为开关的特性设计电路

555定时器在之前的实验中有过详细说明在此不过多介绍

下面介绍一下三极管作为开关的特性如下图3（a）、（b）所示

图3（a），截止态

图3（b），饱和态

如上图所示，截止态如同断路（关），饱和态如同通路（开），即当方波输入电压为0时，三极管开关关闭。

b、电路设计（二极管代替激光光源）

555方波部分：

图4，方波信号发生电路

激光光源部分：

用信号发生器代替了555方波发生器，具体电路如下图所示

图5，激光光源部分（二极管代替）

2、流压转换

a、电路分析

物理量的感测在一般应用中，经常使用各类传感器将位移、角度、压力、与流量等物理量转换为电流或电压信号，之后再由量测此电压电流信号间接推算出物理量变化，以达成感测、控制的目的。

但有时传感器所输出的电压电流信号可能非常微小，以致信号处理时难以察觉其间的变化，故需要以放大器进行信号放大以顺利测得电流电压信号，而放大器所能达成的工作不仅是放大信号而已，尚能应用于缓冲隔离、准位转换、阻抗匹配、以及将电压转换为电流或电流转换为电压等用途。

利用741运算放大器可将电流转换为电压的用途，设计流压转换电路，线路接法如下图所示，其输出电压Vo=-IR。

图6，流压转换电路

一共有两个输入电流，而741属于单运算放大器，里面就一个运算放大器单元，要将它们全部转换为电压需要2个741芯片， LM324属于四运放，集成程度比较高，里面包含4个基本运算放大器单元，所以选用LM324设计实验电路，其引脚连接图如下所示

图7，LM324管脚连接图

b、电路设计

选用0.001A直流电压源模拟输入电流，反馈电阻为1KΩ，经转换，输出电压约为-1V

图8，流压转换

3、解调

a、电路分析

方波信号作为载波信号，调制就是将待调制信号与载波信号相乘，得到一个具有一定强度，不容易受到其他信号影响的复合信号。

然后将调制信号再乘以载波信号，会得到

也就是有个原函数和两个高频杂波信号。

所以将两次相乘结果通过一个低通滤波器，将高频杂波过滤掉，留下的就是原信号。

乘法器将两输入信号相乘，使输出信号被载波保护，让弱信号不会再传输过程中受到干扰。

图9,乘法器电路设计图

b、电路设计

图10，解调电路

4、滤波电路

a、电路分析

1、低通滤波器：

它允许信号中的低频或直流分量通过，抑制高频分量或干扰和噪声。

2、有源滤波器：

由无源元件（一般用R和C）和有源器件（如集成运算放大器）组成。

3、截止频率：

若滤波器在通频带内的增益为K，则当其增益下降到（即下降了3dB）时所对应的频率被称为截止频率。

对应本设计，下降到截止频率200Hz时增益下降了3dB。

4、频率特性曲线：

图11，低通滤波器频率特性曲线

b、电路设计

图12，滤波器

5、加减比例运算（以四路信号为例）

a、电路分析

经过I/V转换后输出的四路电压信号：

经过加法和减法运算得到

图13，运算公式

其中k≠0。

运算后的四路电压和‰应为正值，并且为了除法电路运算的精确应该在2．5V，如果不在此范围内，需要改变前级放大电路的增益。

具体电路图如图4、图5、图6所示。

图14，减法电路Vx

图15，减法电路Vy

图16，加法电路Vall

b、电路设计

由于设计电路仅涉及到水平方向上的计算，只需要两信号作加减即可

减法器：

图17，减法器电路

加法器：

图18，加法器电路

6、除法电路

a、电路分析

根据上述运算可以得到：

图19，运算公式

通过改变k值，可以调节分母电压的大小。

我们采用AD538除法器，进行上面的除法运算。

AD538是美国ADI公司出品的实时模拟计算器件能提供精确的模拟乘、除和幂运算功能。

它具有低输入/输出偏移电压和优异的线性性能，使其可在一个非常宽的输入动态范围内进行精确的运算。

乘／除运算误差控制在输入幅值的0.25％的范围之内。

通常输出偏移小于或等于100uV。

由于器件具有400kHz带宽，进一步加强了实时模拟信号的处理能力。

它的电源范围从士4.5到士18V，允许选择+5V、士12V和士15V标准电压作为工作时的电源电压。

图7，是AD538的功能原理图。

图20,AD538功能原理图

由图可以看出，AD538内部主要是由对数和指数模块构成。

给2脚和15脚施加输入电压时，3脚的输出表达式为:

图21，运算公式

k=1．3806x10之3J／K，q=1．60219x10。

19C，T为热力学温度。

给12脚和10脚施加输入电压时，8脚的输出表达式为:

图22，运算公式

把3脚和12脚连接起来，8脚输出电压:

图23，运算公式

芯片内部带有+2V或+10V的独立的电压参考，当按照图3．10连接时，5脚输出为+2V的标准电压，通过调节电位器可以使4脚输ZE+2V到+10．2V之间变化。

利用AD538的上述功能，设计的水平和垂直两个方向带有偏置调零的两象限除法器如图11所示。

图24（a），垂直方向

图24（b），水平方向

电路设计：

因模拟软件中没有AD538芯片，所以没有设计电路图，根据下图实际连接的电路

图25，除法器电路

7、云台

电路设计

图25，云台电路

8、整体电路

a、电路分析

激光报靶电路中，有一四象限探测器，其原理是，在四象限探测器上有很多光敏电阻等，当四象限探测器探测到电路时，会发出微弱的电流，经过图中的四个运算放大器组成的I-V转换电路，实现微弱电流转成可用电压值，随后电压参数经过后面三个运算放大器组成的加法电路、加减法电路，得到的值经过后面的除法器进行归一化得到最后的X\Y的参数。

（A+B）-（C+D）和A+B+C+D的运算机理为：

A、B、C、D,四个象限的值（A+B）-（C+D），AB在上CD在下，相减位Y的值即为上下的值（分正负）、（A+D）-（C+B）即为左右X的值（分正负）最后通过归一化处理，得到电压值。

b、电路设计

图26，整体电路

三、实验过程

注：

红线接+15V，白线接-15V，黑线接地。

1、光源调制

电路安装：

图27，方波信号发生器

调试电路：

图27，示波器波形

产生1Hz方波，该方波将用于调制激光发光

图28，调制激光光源发光

由方波驱动激光光源发光，但由于方波频率过大，人眼无法判定二极管闪烁仅观察到激光长亮。

2、I/U转换

电路安装：

芯片管脚图、使用条件和要求：

图29-1，LM324管脚图图29-2，LM324实物图

图30，IU转换

调试电路：

实验数据：

（A表示为激光照射四象限探测器A区域时经流压转换后的电流值）

2.1A

2.5A

2.7A

1.4A

1.7A

2.4A

2.2A

表1，流压转换实验数据

3、解调+滤波

电路安装：

图31，633引脚图

555引脚图在之前的实验中做过说明，在此不多做介绍

图32，解调滤波实物

调试电路：

图33，滤波后波形

截止频率约为20Hz

4、加法器

电路安装：

芯片管脚图、使用条件和要求：

用到的UA741芯片的管脚图如图19所示，其中UA741芯片的1脚和5脚为调零端，2脚为反向端，3脚为同相端，4脚接负电源，7脚接正电源，6脚为输出端，8脚悬空。

实物如图

20所示：

图34-1，UA741芯片管脚图图34-2，UA741实物图

图35，加法器

调试电路：

输入A

输入B

输出A+B

表2，加法器实验数据

5、减法器

电路安装：

芯片管脚图、使用条件和要求同加法器

图36，减法器

调试电路：

输入A

输入B

输出A-B

-1V

-2V

-3V

表3，加法器实验数据

6、除法器

电路安装：

芯片管脚图、使用条件和要求：

图37-1，AD538管脚图图37-2，AD538实物图

图38，除法器

调试电路：

输入A+B

10V

12V

输入A-B

5TV

输出（A-B/A+B）*10

表4，除法器实验数据

7、云台

电路安装：

图39，云台1

图40，云台2

8、整体电路

电路安装：

图41，整体电路

实验总结

实验环境：

图42，实验环境

总结：

通过一周的设计过程，对四象限探测器有了一定的了解，也对现代电子技术这门课程有更深的认识。

在实验设计中，对所使用的multisim软件的掌握让我受益匪浅，我认识到了multisim软件在模拟电路设计中的至关重要的地位。

同时，将所学知识应用于实践，使我更加加深了对本学期所学理论知识的理解。

在实验设计的过程中，我掌握的知识还很有限了，需要学习的东西太多了，平时的实践也还不够。

这次实验历时一周，从一开始的电路设计，到后来的资料查找、理论学习，再有就是近来的调试和测试过程，这一切都使我的理论知识和动手能力进一步得到提升。

在画原理图、电路仿真和调试过程中不可避免地遇到各种问题，最终通过不断改变参数，联系书

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