实验一光电技术创新实训平台.docx
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实验一光电技术创新实训平台
目录
实验仪说明2
实验一、光控开关设计实验3
实验二、光照度计设计实验5
实验三、红外遥控设计实验8
实验四、PSD位移测试设计实验16
实验五、太阳能充电器设计实验19
实验六、光纤位移测量系统设计实验24
实验仪说明
一、产品介绍：
光电技术是光学、电子学和计算机科学知识的高度集中，是跨学科的边缘技术。
光电技术广泛应用于工农业和家庭生活等各领域。
在这些领域中，几乎都涉及将光辐射信息转换为电信息的问题，即光辐射的检测问题。
因此光电检测技术是光电技术的核心和重要组成部分。
光电检测具有非接触、实时和高精度等特点，其技术得到迅速发展。
光电探测器可将一定的光辐射转换为电信号，然后经过信号处理，去实现某种目的。
它是光电系统的核心组成部分，其性能直接影响着光电系统的性能。
GCGDCX-B型光电技术创新实训平台针对光电器件应用设计而开发，提供多种光电器件的应用模块、设计模块、以及设计中所需要的电子元器件，并配备有各种电源接口。
学生根据所提供的实验模块进行设计，或根据所提供的实验模块进行二次开发，提高学生动手动脑能力及创新意识。
二、系统组成：
整个系统分4部分：
1、主机箱：
主机箱主要为各设计模块提供电源供给以及模块固定。
一个主机箱可以安放六个设计模块。
2、实验模块：
通过各实验模块完成各应用实验。
3、设计性实验物料：
二次开发实验用。
4、导轨结构件组件：
固定各种光电器件用。
实验一、光控开关设计实验
一、实验目的
1、了解和掌握光敏电阻光控开关应用原理
2、了解和掌握光控开关电路原理
二、实验内容
1、光敏电阻光控开关实验
2、设计性实验
三、实验仪器
1、光电创新实验仪主机箱
2、光控开关实验模块
3、连接线
4、万用表
四、实验原理
1、光敏电阻的结构与工作原理
光敏电阻又称光导管，它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。
光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。
无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。
当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减小，电路中电流迅速增大。
一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，此时光敏电阻的灵敏度高。
实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧量级，亮电阻值在几千欧以下。
光敏电阻的结构很简单，下图（a）为金属封装的硫化镉光敏电阻的结构图。
在玻璃底板上均匀地涂上一层薄薄的半导体物质，称为光导层。
半导体的两端装有金属电极，金属电极与引出线端相连接，光敏电阻就通过引出线端接入电路。
为了防止周围介质的影响，在半
（a）光敏电阻结构；（b）光敏电阻电极；（c）光敏电阻接线图
导体光敏层上覆盖了一层漆膜，漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。
为了提高灵敏度，光敏电阻的电极一般采用梳状图案，如图（b）所示。
图（c）为光敏电阻的接线图。
2、本实验通过改变照射到光敏电阻上光强大小来控制继电器的开关状态，从而控制发光二极管指示灯的亮和灭。
五、注意事项
1、不得扳动面板上面元器件，以免造成电路损坏，导致实验仪不能正常工作。
2、金色测试钩说明：
Vlm为比较器输入电压测试点、Vyz为阈值电压测试点。
六、实验步骤与实验要求（红字部分为实验要求）
1、光敏电阻输出端金色插座对应接到“IN”端金色插座，“OUT”端对应接到继电器正负端。
2、打开电源开关，旋转灵敏度旋钮，选定一个灵敏度。
然后调节调节阈值旋钮使让光开关处于工作状态，即不遮挡光敏电阻时指示灯不亮、用手遮挡光敏电阻时指示灯亮。
。
3、万用表调至量程为20V直流电压状态，并万用表分别测量指示灯暗时与明时Vlm端电压和Vyz的端电压。
4、改变灵敏度，重复以上步骤一次，并将两次测得的Vlm端电压和Vyz的端电压填入下表，分析光开关实现开与关的条件。
Vlm/V
Vyz/V
七、设计性实验
光控开关原理图如下，IN1和CON1为光敏电阻输入端。
U8为运算放大器，型号为OP07，此运算放大器构成比较器电路。
当3脚电压高于2脚电压时输出高电平，三极管Q4截止继电器不吸合，发光二极管不发光。
反之2脚输出低电平，三极管Q4导通，继电器得电导通，发光二极管发光。
实验二、光照度计设计实验
一、实验目的
1、了解和掌握光电池在光照度计上的应用原理
2、了解和掌握光照度计结构原理
3、了解和掌握光照度计电路设计原理
二、实验内容
1、光照度计测量光照度实验
2、光照度计设计实性验
三、实验仪器
1、光电创新实验仪主机箱
2、光照度计&光功率计设计模块
3、照度计探头
4、连接线
4、万用表
四、实验原理
光照度是光度计量的主要参数之一，而光度计量是光学计量最基本的部分。
光度量是限于人眼能够见到的一部分辐射量，是通过人眼的视觉效果去衡量的，人眼的视觉效果对各种波长是不同的，通常用V（λ）表示，定义为人眼视觉函数或光谱光视效率。
因此，光照度不是一个纯粹的物理量，而是一个与人眼视觉有关的生理、心理物理量。
光照度是单位面积上接收的光通量，因而可以导出：
由一个发光强度I的点光源，在相距L处的平面上产生的光照度与这个光源的发光强度成正比，与距离的平方成反比，即：
式中：
E——光照度，单位为Lx；
I——光源发光强度，单位为cd；
L——距离，单位为m。
光照度计是用来测量照度的仪器，它的结构原理如下图所示：
图3-1
图中D为光探测器，图3-2为典型的硅光探测器的相对光谱响应曲线；C为余弦校正器，在光照度测量中，被测面上的光不可能都来自垂直方向，因此照度计必须进行余弦修正，使光探测器不同角度上的光度响应满足余弦关系。
余弦校正器使用的是一种漫透射材料，当入射光不论以什么角度射在漫透射材料上时，光探测器接收到的始终是漫射光。
余弦校正器的透光性要好；F为V（λ）校正器，在光照度测量中，除了希望光探测器有较高的灵敏度、较低的噪声、较宽的线性范围和较快的响应时间等外，还要求相对光谱响应符合视觉函数V（λ），而通常光探测器的光谱响应度与之相差甚远，因此需要进行V（λ）匹配。
匹配基本上都是通过给光探测器加适当的滤光片（V（λ）滤光片）来实现的，满足条件的滤光片往往需要不同型号和厚度的几片颜色玻璃组合来实现匹配。
当D接收到通过C和F的光辐射时，所产生的光电信号，首先经过I/V变换，然后经过运算放大器A放大，最后在显示器上显示出相应的信号定标后就是照度值。
图3-2硅光电探测器光谱特性曲线
图3-3光谱视觉曲线
照度测量的误差因素
1）照度计相对光谱响应度与V（λ）的偏离引起的误差。
2）接收器线性：
也就是说接收器的响应度在整个指定输出范围内为常数。
3）疲劳特性：
疲劳是照度计在恒定的工作条件下，由投射照度引起的响应度可逆的暂时的变化。
4）照度计的方向性响应。
5）由于量程改变产生的误差：
这个误差是照度计的开关从一个量程变到邻近量程所产生的系统误差。
6）温度依赖性：
温度依赖性是用环境温度对照度头绝对响应度和相对光谱响应度的影响来表征。
7）偏振依赖性：
照度计的输出信号还依赖于光源的偏振状态。
8）照度头接收面受非均匀照明的影响。
五、注意事项
1、不得扳动面板上面元器件，以免造成电路损坏，导致实验仪不能正常工作。
2、说明：
输入“+”“-”为探头输入端、输出“+”“-”为照度计输出电压测试点。
X1、X10、X100开关为放大倍数切换开关。
六、实验步骤与实验要求（红字部分为实验要求）
1、照度计探头红黑插座对应接到实验模块上输入端“+”“-”。
2、万用表红黑表笔对应接到实验模块上输出端“+”“-”。
3、放大倍数切换开关拨至X1挡，向上拨。
4、打开电源开关，观察背光条件下万用表指示数值（200mV量程），并通过补偿调零旋钮将万用表读数调零。
5、然后在光照条件下，改变放大倍数（X1档，X2档，X3档），观察并记录万用表指示数值变化。
VX1（mV）
VX2（mV）
VX3（mV）
6、关闭电源。
七、设计性实验
光照度计电路原理图如下：
U1对光电池输出电流进行I/V变换，将光电流转换为电压，K1为档位切换开关。
U2对输出电压进行放大，调节RP1阻值大小可以给便放大倍数，5脚对应电位器为调零电位器。
实验三、红外遥控设计实验
一、实验目的
1、了解红外遥控原理
2、了解掌握红外遥控电路设计方法
二、实验内容
1、红外遥控编解码实验
2、4路遥控原理实验
3、设计性试验
三、实验仪器
1、光电创新实验仪主机箱
2、红外遥控实验模块
3、连接线
4、示波器
四、实验原理
PT2262/2272是台湾普城公司生产的一种CMOS工艺制造的低功耗低价位通用编解码电路，PT2262/2272最多可有12位（A0-A11）三态地址端管脚（悬空,接高电平,接低电平）,任意组合可提供531441地址码,PT2262最多可有6位（D0-D5）数据端管脚,设定的地址码和数据码从17脚串行输出，可用于无线遥控发射电路。
编码芯片PT2262发出的编码信号由：
地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字，解码芯片PT2272接收到信号后，其地址码经过两次比较核对后，相应的数据脚也输出高电平。
PT2262特点：
CMOS工艺制造，低功耗、外部元器件少、RC振荡电阻、工作电压范围宽：
2.6-15v、数据最多可达6位、地址码最多可达531441种。
应用范围：
车辆防盗系统、家庭防盗系统、遥控玩具、其他电器遥控
引脚图：
管脚说明：
名称
管脚
说明
A0-A11
1-8、10-13
地址管脚,用于进行地址编码,可置为“0”,“1”,“f”（悬空）,
D0-D5
7-8、10-13
数据输入端，有一个为“1”即有编码发出，内部下拉
Vcc
18
电源正端（＋）
Vss
9
电源负端（－）
TE
14
编码启动端，用于多数据的编码发射，低电平有效；
OSC1
16
振荡电阻输入端，与OSC2所接电阻决定振荡频率；
OSC2
15
振荡电阻振荡器输出端；
Dout
17
编码输出端（正常时为低电平）
在具体的应用中，外接振荡电阻可根据需要进行适当的调节，阻值越大振荡频率越慢，编码的宽度越大，发码一帧的时间越长。
注意：
下图电路应用在无线遥控，如果在红外遥控领域，需要芯片型号为PT2262-IR。
解码电路PT2272引脚图：
名称
管脚
说明
A0-A11
1-8、10-13
地址管脚,用于进行地址编码,可置为“0”,“1”,“f”（悬空）,必须与2262一致,否则不解码
D0-D5
7-8、10-13
地址或数据管脚,当做为数据管脚时,只有在地址码与2262一致,数据管脚才能输出与2262数据端对应的高电平,否则输出为低电平,锁存型只有在接收到下一数据才能转换
Vcc
18
电源正端（＋）
Vss
9
电源负端（－）
DIN
14
数据信号输入端，来自接收模块输出端
OSC1
16
振荡电阻输入端，与OSC2所接电阻决定振荡频率；
OSC2
15
振荡电阻振荡器输出端；
VT
17
解码有效确认输出端（常低）解码有效变成高电平（瞬态）
地址码和数据码都用宽度不同的脉冲来表示，两个窄脉冲表示“0”；两个宽脉冲表示“1”；一个窄脉冲和一个宽脉冲表示“F”也就是地址码的“悬空”
上面是我们从超再生接收模块信号输出脚上截获的一段波形，可以明显看到，图上半部分是一组一组的字码，每组字码之间有同步码隔开，所以我们如果用单片机软件解码时，程序只要判断出同步码，然后对后面的字码进行脉冲宽度识别即可。
图下部分是放大的一组字码：
一个字码由12位AD码（地址码加数据码，比如8位地址码加4位数据码）组成，每个AD位用两个脉冲来代表：
两个窄脉冲表示“0”；两个宽脉冲表示“1”；一个窄脉冲和一个宽脉冲表示“F”也就是地址码的“悬空”
2262每次发射时至少发射4组字码，2272只有在连续两次检测到相同的地址码加数据码才会把数据码中的“1”驱动相应的数据输出端为高电平和驱动VT端同步为高电平。
因为无线发射的特点，第一组字码非常容易受零电平干扰，往往会产生误码，所以程序可以丢弃处理。
PT2272解码芯片有不同的后缀，表示不同的功能，有L4/M4/L6/M6之分，其中L表示锁存输出，数据只要成功接收就能一直保持对应的电平状态，直到下次遥控数据发生变化时改变。
M表示非锁存输出，数据脚输出的电平是瞬时的而且和发射端是否发射相对应，可以用于类似点动的控制。
后缀的6和4表示有几路并行的控制通道，当采用4路并行数据时（PT2272-M4），对应的地址编码应该是8位，如果采用6路的并行数据时（PT2272-M6），对应的地址编码应该是6位。
PT2262/2272芯片的地址编码设定和修改：
在通常使用中，我们一般采用8位地址码和4位数据码，这时编码电路PT2262和解码PT2272的第1～8脚为地址设定脚，有三种状态可供选择：
悬空、接正电源、接地三种状态，3的8次方为6561，所以地址编码不重复度为6561组，只有发射端PT2262和接收端PT2272的地址编码完全相同，才能配对使用，遥控模块的生产厂家为了便于生产管理，出厂时遥控模块的PT2262和PT2272的八位地址编码端全部悬空，这样用户可以很方便选择各种编码状态，用户如果想改变地址编码，只要将PT2262和PT2272的1～8脚设置相同即可，例如将发射机的PT2262的第1脚接地第5脚接正电源，其它引脚悬空，那么接收机的PT2272只要也第1脚接地第5脚接正电源，其它引脚悬空就能实现配对接收。
当两者地址编码完全一致时，接收机对应的D1～D4端输出约4V互锁高电平控制信号，同时VT端也输出解码有效高电平信号。
用户可将这些信号加一级放大，便可驱动继电器、功率三极管等进行负载遥控开关操纵。
五、注意事项
1、不得扳动面板上面元器件，以免造成电路损坏，导致实验仪不能正常工作。
2、地址编码和地址解码编码方法：
编解码均为三态，高、低和悬空，分为上中下3排，每排对应地址位看模块上标示。
短接上两排为低，下两排为高，不短接则为悬空。
六、实验步骤与实验要求（红字部分为实验要求）
1、将模块上红外发射二极管的金色插孔“L+”“L-”通过连线连接至发射金色插孔“L+”“L-”，红外接收头金色插孔“GND”“VCC”“SIG”通过连线连接至接收金色插孔“GND”“VCC”“SIG”（GCCGND为接收头的供电端，SIG为接收头的信号输出端）。
2、将电源开关打开，分别按下S1，S2，S3，S4按钮，观察并记录模块右下角指示灯的变化情况；
3、使用短路块将编码解码设置相同状态，按下4路控制任何一路开关，观察并记录4路输出指示灯等状态。
5、使用短路块将编码解码设置不同状态，按下4路控制任何一路开关，观察并记录4路输出指示等状态。
七、设计性实验
上图为编码发射电路。
U1为芯片PT2262，在没有按键按下时，U1不通电，任意按键按下时，+5V通过二极管4148后为芯片供电，这样设计可以降低产品功耗。
U1输出波形通过三极管Q1调制到红外发射二极管上。
3排9针插针用来对芯片进行3态编码。
下图为接收解码电路。
U2为芯片PT2272，红外接收头接收到得信号经过三极管Q2驱动后送入芯片PT2272输入端，3排8针插针用来对芯片进行3态编码。
本实验手册提供的原理图为4路编解码原理，同学们有兴趣可以根据芯片原理设计相应其它路数的遥控。
实验四、PSD位移测试设计实验
一、实验目的
1、了解PSD位置传感器工作原理及其特性
2、了解并掌握PSD位置传感器测量位移的方法
3、了解并掌握PSD位置传感器输出信号处理电路原理
二、实验内容
1、一维PSD光学系统组装调试实验
2、PSD输出信号处理实验
3、PSD输出信号误差补偿实验
4、PSD测位移原理实验
5、设计实验
三、实验仪器
1、光电创新实验仪主机箱
2、PSD位移测试模块
3、连接线
4、万用表
四、实验原理
PSD为一具有PIN三层结构的平板半导体硅片。
其断面结构如图1所示，表面层P为感光面，在其两边各有一信号输入电极，底层的公共电极是用与加反偏电压。
当光点入射到PSD表面时，由于横向电势的存在，产生光生电流
，光生电流就流向两个输出电极，从而在两个输出电极上分别得到光电流
和
，显然
。
而
和
的分流关系则取决于入射光点到两个输出电极间的等效电阻。
假设PSD表面分流层的阻挡是均匀的，则PSD可简化为图2所示的电位器模型，其中
、
为入射光点位置到两个输出电极间的等效电阻，显然
、
正比于光点到两个输出电极间的距离。
图1图2
因为I1/I2=R2/R1=（L-X）/L+X）
I0=I1+I2
所以可得I1=I0（L-X）/2L
I2=I0（L+X）/2L
X=（I2-I1/I0）L
当入射光恒定时，
恒定，则入射光点与PSD中间零位点距离X与
成线性关系，与入射光点强度无关。
通过适当的处理电路，就可以获得光点位置的输出信号。
五、注意事项
1、激光器输出光不得对准人眼，以免造成伤害。
2、激光器为静电敏感元件，因此操作者不要用手直接接触激光器引脚以及与引脚连接的任何测试点和线路，以免损坏激光器。
3、不得扳动面板上面元器件，以免造成电路损坏，导致实验仪不能正常工作。
六、实验步骤与实验要求
1、将激光器引线红色接模块上+5V金色插孔，黑色接GND5金色插孔。
PSD后金色插孔“I1”“I2”为PSD电流输出，对应接到金色插孔“T6”“T8”，PSD后金色插孔“C”为PSD供电端，对应接到金色插孔“T4”。
2、将PSD传感器实验单元电路连接起来：
“T7”接“T10”“T9”接“T12”“T13”接“T14”“T15”接“T16”，“T17”与“T18”对应接到万用表电压档正负极，用来测量输出电压。
3、打开主机箱电源开关，打开模块上电源开关，实验模块开始工作。
调整测微头，使激光光点能够在PSD受光面上的位置从一端移向另一端，最后将光点定位在PSD受光面上的正中间位置（目测），调节零点调整旋钮，使电压表显示值为0。
转动测微头使光点移动到PSD受光面一端，调节输出幅度调整旋钮，使电压表显示值为3V或-3V左右。
4、从PSD一端开始旋转测微头，使光点移动，取△X＝0.5mm，即转动测微头一转。
读取电压表显示值，填入表1。
表1PSD传感器位移值与输出电压值
位移量（mm）
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
输出电压（V）
位移量（mm）
4
4.5
5
5.5
6
6.5
7
7.5
输出电压（V）
七、设计性实验
1、PSD供电电路如下图
2、PSD输出处理电路如下图,原理：
运算放大器U4AU4B完成PSD两路电流输出I/V变换；U5A为加法电路，对两路输出进行加法运算，用来验证PSD两路输出之和不随光电位置变化而改变；U5B为减法电路，实现PSD位移测量；U3A为放大电路，W1用来调节放大增益。
U3B为调零电路，通过调节W2阻值大小进行电路调零。
实验五、太阳能充电器设计实验
一、实验目的
1、了解和掌握太阳能电池充电原理
2、了解和掌握DC/DC变换原理
二、实验内容
1、普通电源给锂电池充电
2、用太阳能电池给锂电池充电实验
3、DC/DC升压原理实验
4、设计性实验
三、实验仪器
1、光电创新实验仪主机箱
2、太阳能电池充电模块
3、连接线
4、万用表
四、实验原理
1、太阳能电池（SolarCells），也称为光伏电池，是将阳光辐射能直接转换为电能的器件。
由这种器件封装成太阳能电池组件，再按需要将一块以上的组件组合成一定功率的太阳能电池方阵，经与储能装置、测量控制装置及直流-交流变换装置等相配套，即构成太阳能电池发电系统，也称为之光伏发电系统。
太阳能电池具有不消耗常规能源、无转动部件、寿命长、维护简单、使用方便、功率大小可任意组合、无噪音、无污染等优点。
经过人们40多年的努力，太阳能电池的研究、开发与产业化已取得巨大进步。
目前，太阳能电池已成为空间卫星的基本电源和地面无电、少电地区及某些特殊领域（通信设备、气象台站、航标灯等）的重要电源。
本该实验作为一个综合设计性的实验，联系科技开发实际，有一定的新颖性和实用价值，能激发学生的学习兴趣。
本实验原理的核心是太阳能充电控制芯片CN3083，该芯片基本电路原理图：
CN3083是可以用太阳能板供电的单节锂电池充电管理芯片。
该器件内部包括功率晶体管，应用时不需要外部的电流检测电阻和阻流二极管。
内部的8位模拟-数字转换电路，能够根据输入电压源的电流输出能力自动调整充电电流，用户不需要考虑最坏情况，可最大限度地利用输入电压源的电流输出能力，非常适合利用太阳能板等电流输出能力有限的电压源供电的锂电池充电应用。
CN3083只需要极少的外围元器件，并且符合USB总线技术规范，非常适合于便携式应用的领域。
热调制电路可以在器件的功耗比较大或者环境温度比较高的时候将芯片温度控制在安全范围内。
内部固定的恒压充电电压为4.2V，也可以通过一个外部的电阻调节。
充电电流通过一个外部电阻设置。
当输入电压掉电时，CN3083自动进入低功耗的睡眠模式，此时电池的电流消耗小于3微安。
其它功能包括输入电压过低锁存，自动再充电，电池温度监控以及充电状态/充电结束状态指示等功能。
充电状态和充电结束状态双指示输出，电源电压掉电时自动进入低功耗的睡眠模式，采用恒流/恒压/恒温模式充电，既可以使充电电流最大化，又可以防止芯片过热，电池温度监测功能，自动再充电，充电结束检测。
2、DC/DC变换就是将一个量级的直流电压转换为另一个量级的直流电压：
包括升压、降压和电压极性变换等。
本实验DC/DC变换的核心器件为MC34063。
该器件本身包含了DC／DC变换器所需要的主要功能。
它由具有温度自动补偿功能的基准电压发生器、比较器、占空比可控的振荡器，R—S触发器和大电流输出开关电路等组成。
该器件可用于升压变换器、降压变换器、反向器的控制核心，由它构成的DC／DC变换器仅用少量的外部元器件。
主要应用于以微处理器（MPU）或单片机（MCU）为基础的系统里。
MC34063集成电路主要特性：
输入电压范围：
2、5～40V
输出电压可调范围：
1．25～40V
输出电流可达：
1．5A
工作频率：
最高可达100kHz
低静态电流
短路电流限制
可实现升压或降压电源变换器
MC34063的基本结构及引脚图功能（右图）
1脚：
开关管T1集电极引出端；
2脚：
开关管T1发射极引出端；
3脚：
定时电容ct接线端；调节ct可使工作频率在100—100kHz范围内变化；
4脚：
电源地；
5脚：
电压比较器反相输入端，同时也是输出电压取样端；使用时应外接两个精度不低于1％的精密电阻；
6脚：
电源端；
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