西安邮电大学数字照度计实习报告.docx
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西安邮电大学数字照度计实习报告
西安邮电学院
生产实习报告书
系部名称
：
电子工程学院光电子技术系
学生姓名
：
专业名称
：
光信息科学与技术
班级
：
光信息
时间
：
2013年2月25日至2013年3月8日
简易数字照度计
一．设计目的
利用硅光电池将接收到的光信号转换成电信号，然后利用A／D转换器ICL7107将输入的模拟电压信号转化成数字信号，再通过LED共阳极数码管将该输出值直接显示，由此构成数字照度计。
二．设计思路
照度是受光照平面上接受的光通量的面密度。
数字照度计是用于测量被照面上的光照度的仪器，是光学测量中用得最多的仪器之一。
本设计的照度计由光度头和读数显示器两部分。
1．光度头的设计
光度头又称光探头，主要是接受光信号，然后通过硅光电池把它转化成电信号，再通过分压电路转化成A／D转化器可接受的信号。
光度头由硅光电池、电阻和滑动变阻器组成，如图l所示。
其中R，、R：
，R。
、R。
为换档及反馈电阻，R。
为可调电阻，OP为运算放大器。
可调电阻R。
外接数字电压表：
2．显示器的设计
显示器把模拟信号转化成数字信号，并通过数码管显示出相应的照度值。
主要由A／D转化器7107，共阳极数码管构成。
如图。
其中：
C3和R。
构成输入端阻容滤波电路，R。
和R，，构成分压电路，R。
和cs分别是积分电阻和积分电容，C2和G分别为基准电容和自动调零电容，分别为振荡电阻和电容。
三．器件清单
名称
型号
数量（个）
硅光电池
1
A/D芯片
ICL7107
1
运放
LF411cn
1
电阻
24kΩ
1
120kΩ
1
330Ω
1
1MΩ
1
470KΩ
1
可变电阻器
500KΩ
1
100KΩ
1
200KΩ
1
电容
100PF
1
CBB电容
0.01uF
1
0.1Uf
1
1uF
1
0.047uF
1
0.22uF
1
共阳极的数码管
4
四．设计原理
该数字照度计利用硅光电池将接收到的光信号转换成电信号，再通过7／2双积分型A／D转换器ICL7107对输入的模拟电压、参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变成与之成正比的时间间隔，然后再利用脉冲时间间隔，进而得出相应的数字型输出，最后由LED共阳极数码管将该输出直接显示。
1.硅光电池光电信号接收端的工作原理
图3是光电池的工作原理框图，光电池把接收到的光信号转变为与之成正比的电流信号，再经I／V转换模块把光电流信号转换成与之成正比的电压信号。
当发送的光信号被正弦信号调制时，则光电池输出电压信号中将包含正弦信号，据此可通过示波器测定光电池的频率响应特性。
2.双积分型A／D转换器ICL7107的工作原理
ICL7107的原理框图如图，它包括积分器、比较器、计数器、控制逻辑和时钟信号源。
积分器是A／D转换器的心脏，在一个测量周期内，积分器先后对输入信号电压和基准电压进行两次积分。
比较器将积分器的输出信号与零电平进行比较，比较的结果作为数字电路的控制信号。
时钟信号源的周期t作为测量时间间隔的标准时间。
它是由内部的两个反向器以及外部的R、C组成的。
其振荡周期t=2．2RC。
计数器对反向积分过程的时钟脉冲进行计数。
控制逻辑包括分频器、译码器、相位驱动器、控制器和锁存器。
分频器用来对时钟脉冲逐渐分频，得到所需的计数脉冲工和共阳极LED数码管公共电极所需的方波信号fco
译码器为BCD-7段译码器，将计数器的BCD码译成LED数码管七段笔画组成数字的相应编码。
驱动器是将译码器输出的对应于共阳极数码管七段笔画的逻辑电平变成驱动相应笔画的方渡。
控制器的作用有：
一是识别积分器的工作状态，适时发出控制信号，使各模拟开关接通或断开，A／D转换器能循环进行；二是识别输入电压极性，控制LED数码管的负号显示；三是当输入电压超量限时发出溢出信号，使千位显示“l”，其余码全部熄灭。
锁存器用来存放A／D转换的结果，锁存器的输出经译码器译码后驱动LED。
它的每个测量周期包括自动调零（AZ）、信号积分（1NT）和反向积分（DE）3个阶段。
第一阶段：
自动调零阶段。
转换开始前（转换控制信号V。
=o），先将计时器清零，并接通开关Sz，使积分电容C完全放电。
第二阶段：
信号积分。
令开关S，合到输入信号VIN一侧，积分器对V。
N进行固定时间丁，的积分，积分结果为
上式说明，在T1固定条件下V0与Vin成正比。
第三阶段：
反向积分。
令开关S，转至参考电压V。
EF一侧，积分器反向积分。
如果积分器的输出电压上升至零时，所经过的积分时间为T2，则可得
故有：
可见，反向积分到V0=0的这段时间T2与ⅥN成正比。
时钟脉冲的周期为R，计数器在T2时间内计数值为N，T2=NTc，则有
分析可知：
T1、Tc、VREF均固定不变，计数值N仅与Vin成正比，实现了模拟量到数字量的转变。
下面介绍A／D转化过程的时间分配。
假设时钟脉冲频率为40kHz，每个周期为4000Tc，如图5所示，每个测量周期中3个阶段工作自动循环。
各阶段时间分配如下：
信号积分时间T1用1000Tc；信号反向积分时间T2用O～2000Tc，这段时间的长短是由Vm的大小决定；自动调零时间To用l000~3000Tc。
从上面的分析可知，T1是固定不变的，T2随V1N的大小而改变。
选基准电压VREF=100．0mV，由式（3），得：
Vin=0．1N（mV）。
满量程时N=2000，同样由上式可导出满量程时Vin与基准电压的关系为Vin=2VnEF。
为了提高仪表的抗干扰能力，通常选定的采样时间T1为工频周期的整数倍。
我国采用50Hz交流电网，其周期为20ms，应选Tl=nx20ms，n=1，2，3……，n越大，对串模干扰的抑制能力越强，但n变化越大，A／D转换的时间越长。
因此，一般取T1=100ms。
由Tc=2．2RC可知，当振荡周期T0为定值时，阻容元件的选取并不唯一，只要满足要求即可。
五．实验步骤
1.按照光度头和显示器的电路连接电路图。
2.调试及测试。
2．1光度头的调试
通过调节图1中的R。
的输出端的470kQ滑动变阻器，使输出信号的大小发生改变，当输出电压小于2．0V时，可以适应ICL7107的量程为2．0V的工作特性，因此调节R5确保在高照度时不超过2．0V。
2．2数字电压表的调试
（1）按下图2中的按钮S，所有的LED数码管都亮，显示全部字段为“1888”（小数点不亮）。
为避免影响LED数码管的寿命，按下时间不要超过1rain。
短IN+端，LED数码管显示“000”。
（2）短接VREF端与VIN端，即VIN=100．0mV，LED数码管显示“100．0”（基准电压为100mV）。
（3）短接IN+端接V一端，使yIN远低于一200rflV，仪表应显示“一1”。
2．3照度计的定标
自制照度计定标所需的仪器：
标准照度计、亮度可调的白炽灯、密封不透光的盒子各一个。
定标步骤如下：
（1）把自制照度计的光度头和标准照度计的光度头放在一起，同置于亮度可调的白炽灯下，并把灯头和两个光度头一起置于密封的大盒子里。
两个仪表的读数器和亮度可调的白炽灯的调节旋钮置于盒子外面。
（2）调节白炽灯亮度旋钮，使亮度由小到大逐渐变化，并记录两个光度头的示数。
根据测得的数据作图，如图所示（图中E1为标准照度计读数）。
看是否为一条直线，若不是直线需检查自制照度计，若是直线则进行下一步。
（3）由记录的数据计算出直线的斜率，并调节滑动变阻器是斜率为一，则定标完毕。
六．心得体会
这次课程设计是对以前学过的相关知识的一次综合性运用，是把课本知识转化为生活实际的一次实践性的实验，很大程度上锻炼了我们的思考问题解决问题的能力，实验的内容贴近生活实际,使我们可以用自己所学的知识解决实际问题。
课程设计开始，对知识系统而全面进行了梳理，遇到难处先是苦思冥想再向同学请教，终于熟练掌握了基本理论知识，而且领悟诸多平时学习难以理解掌握的较难知识，学会了如何思考的思维方式，找到了设计的灵感。
总的来说这次课程设计相对比较顺利，但是也遇到了一些问题，遇到问题并不是什么坏事，通过自己的思考以及向老师咨询，等把问题弄懂了，自己也从中学到了很多知识。
本次设计让自己学到了不少知识，了解到自己身上的不足，首先是对这个实验的原理有了更深的了解。
同时对电路设计产生了极大的兴趣。
另外还发现自己的一些问题。
首先，是对很多学过的知识还不够熟练不能用到实际问题中。
其次，是自己还不够条理，思考问题不全面等。
就本实验具体问题谈一下自己的看法。
设计虽然比较成功，但是实验还有很多需要改进和扩展的地方，我们要求设计的是比较简单的电路，在实际生活中的设计与应用要远比这次的课程设计复杂，在以后的课程中还要继续学习其他知识，以解决真正的实际问题，真正达到学以致用。
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