课程设计光电电路课程设计.docx

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课程设计光电电路课程设计

二、课程设计的内容及安排

1、课程设计内容：

设计一套光电发射电路和光电接收电路，以电路为主（模电、数电），结合一些光电子器件的应用。

2、课程设计的安排和要求：

该课程设计分三阶段进行：

（1）理论教学阶段：

该阶段约占总学时的10％。

该阶段通过课堂讲解，使同学了解设计的一般过程以及设计的一些方法，同时对一些典型的光电子电路进行介绍，以开拓学生的思维。

该阶段要求学生明确本设计的要求，确定设计的总体方案图，并起草具体的线路图。

（2）用电脑辅助软件进行电路设计：

该阶段约占总学时的25％。

该阶段要求学生熟练掌握电路设计辅助软件（protel）的使用，并能应用该软件设计本设计题目的电子线路图和印刷电路图。

（3）制作与调试：

该阶段约占总学时65％。

该阶段为本课程设计的实施和验证阶段，其中包括电子器件的安装、焊接、调试、记录实验数据并进行进一步的改进。

该阶段要求同学掌握光电子、电子器件的安装和焊接，能熟练操作仪器，学会在实践过程中分析问题、解决问题。

（4）总结：

该阶段要求同学总结本次课程设计的经验、整理实验数据并写出书面报告。

三、设计方案、设计要求及指标：

（一）、光电传感检测电路专题：

1、方案1：

（1）工作原理：

该方案的系统框图如图1所示。

方波发生器产生一定频率的方波，其中一路送给驱动电路驱动发光器件（LED、LD等）发出同频率的光信号，另一路给同步相关电路（锁相）提供参考信号；光电转换电路接收光发射电路发送来的光信号，将光信号转换成电信号送给放大滤波电路；放大滤波电路将送来较小的电信号进行放大并初步滤除噪声后送给锁相电路；锁相电路起到提高信噪比的作用，它将噪声和干扰信号滤除，只选取与参考信号同频且相位固定的信号并转挽成直流信号送出。

图1方案1系统方框图

（2）设计要求：

`参考图1系统框图，设计一套光发射和光接收电路，制作成实物，并上交相应的设计报告。

电路原理图和印刷电路图需用电脑辅助设计软件完成。

（3）设计指标：

驱动频率：

3KHz

放大倍数：

100倍

放大器带宽：

：

20KHz

锁相信噪比改善：

1000

四、基础知识：

1、基本原理及概念

⑴频率：

交变电流在单位时间内完成周期性变化的次数，常用f或v表示，单位为赫兹（Hz）。

⑵周期：

交变电流完成一次完整的变化所需要的时间叫做周期，常用T表示。

周期的单位是秒（s）,也常用毫秒（ms）或微秒（us）做单位。

如下图所示为一个正弦波的周期T。

图5周期示意图

⑶占空比：

在一串理想的脉冲序列中（如方波），正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值。

即高电平所占周期时间与整个周期时间的比值，如下图所示。

图6占空比示意图

⑷增益：

反映了放大电路在输入信号控制下，将供电电源能量转换为信号能量的能力。

在放大电路中可分为电压增益、电流增益、互阻增益、互导增益等。

表示相应电路参数的放大倍数,以相应的输出值同相应的输入值的比值的常用对数表示,单位为分贝（dB）。

如下图所示，电压增益Av=20lg（Vout/Vin）。

图7增益示意图

⑸频率响应：

实际的放大电路中，总是存在一些电抗性元件，如电容、电感、电子器件的极间电容以及接线电容与接线电感等。

因此，放大电路的输出和输入之间的关系必然和信号频率有关。

放大电路的频率响应是指，在输入正弦信号情况下，输出随频率连续变化的稳态响应。

若考虑电抗性元件的作用和信号角频率变量，则放大电路的电压增益可表达为

或

式中，为信号的角频率，表示电压增益的模与角频率之间的关系，称为幅频响应；而表示放大电路输出与输入正弦电压信号的相位差与角频率之间的关系，称为相频响应，二者综合起来可全面表征放大电路的频率响应。

如下图所示，为单管共射放大电路的频率响应。

图8频率响应示意图

⑹带宽：

一般把幅频响应的高、低两个半功率点间的频率差定义为放大电路的带宽。

半功率点是指在输入信号幅值保持不变条件下，增益下降3dB的频率点，其输出功率约等于最高功率的一半。

图9某音响系统放大电路的幅频响应及其带宽

⑺锁相：

锁相环（PLL:

Phase-lockedloops）是一种利用反馈控制原理实现的频率及相位的同步技术，其作用是将电路输出的时钟与其外部的参考时钟保持同步。

当参考时钟的频率或相位发生改变时，锁相环会检测到这种变化，并且通过其内部的反馈系统来调节输出频率，直到两者重新同步，这种同步又称为“锁相”。

2、常用元器件介绍：

常用器件主要有电阻、电容、电位器、三极管、二极管、集成电路、发光器件、光电器件、电源器件等，下面对这些器件进行必要的介绍：

⑴电阻：

导体对电流的阻碍作用就叫该导体的电阻。

①电阻的阻值标法通常有色环法，数字法和数码法。

如下图所示：

图10直插式色环电阻

图11色环的识别方法

图12贴片电阻图13可变电阻

②电阻的分类

　a.按阻值特性

固定电阻、可调电阻

　　不能调节的,我们称之为固定电阻,而可以调节的,我们称之为可调电阻.常见的例如收音机音量调节的,主要应用于电压分配的,我们称之为电位器。

b.按制造材料

　　碳膜电阻、金属膜电阻、线绕电阻，捷比信电阻，薄膜电阻等.

　c.按安装方式

插件电阻、贴片电阻

　d.按功能分

负载电阻，采样电阻，分流电阻，保护电阻等

③电阻的主要参数

　　a.标称阻值：

标称在电阻器上的电阻值称为标称值.单位:

Ω,kΩ，MΩ。

标称值是根据国家制定的标准系列标注的,不是生产者任意标定的.不是所有阻值的电阻器都存在.

　　b.允许误差：

电阻器的实际阻值对于标称值的最大允许偏差范围称为允许误差.误差代码:

F、G、J、K…（常见的误差范围是：

0.01%，0.05%，0.1%，0.5%，0.25%，1%，2%,5%等）

c.额定功率：

指在规定的环境温度下,假设周围空气不流通,在长期连续工作而不损坏或基本不改变电阻器性能的情况下,电阻器上允许的消耗功率.常见的有1/16W、1/8W、1/4W、1/2W、1W、2W、5W、10W。

⑵电容

电容是表征电容器容纳电荷本领的物理量。

我们把电容器的两极板间的电势差增加1伏所需的电量，叫做电容器的电容。

电容从物理学上讲，它是一种静态电荷存储介质。

电容的用途较广，是电子、电力领域中不可缺少的电子元件。

主要用于电源滤波、信号滤波、信号耦合、谐振、隔直流等电路中。

电容的符号是C。

　　C=Q/U

　　在国际单位制里，电容的单位是法拉，简称法，符号是F,常用的电容单位有毫法（mF）、微法（μF）、纳法（nF）和皮法（pF）（皮法又称微微法）等，换算关系是：

　　1法拉（F）=1000毫法（mF）＝1000000微法（μF）

1微法（μF）=1000纳法（nF）=1000000皮法（pF）。

常用的电容按照材料可分为纸介电容器、有机薄膜电容器、瓷介电容器、玻璃釉电容器、云母电容器、电解电容器等。

电解电容器包括铝电解电容器和钽电解电容。

其中瓷介电容器和铝电解电容器应用最为普遍。

按容值特性又可分为固定值电容和可变电容。

可变电容器包括空气可变电容器、固体介质可变电容器和微调电容器，但可变电容器应用较少。

几种常见电容具体实物如下图所示：

瓷介电容钽电解电容铝电解电容

图14各种材料电容

根据电容的封装方式，还可分为直插式电容和贴片式电容，下图所示为几种常见的贴片式电容：

瓷介贴片电容钽贴片电解电容铝贴片电容

图15贴片电容

⑶晶体二极管

晶体二极管是由一个PN结、管壳、外引线等构成。

普通晶体二极管图形符号如图所示：

图16二极管示意图

根据二极管的用途不同，二极管的类型有很多，下面给出常用二极管，如整流二极管、检波二极管、开关二极管、稳压二极管、光电二极管和发光二极管。

整流二极管：

将交流电整流为直流电的二极管。

检波二级管：

用于把叠加在高频载波上的低频信号检出来的器件。

开关二极管：

在脉冲数字电路中，用于接通和关断电路的二极管。

特点是反向回复时间短，能满足高频和超高频应用的需要。

稳压二极管：

利用PN结反向击穿时的电压基本上不随电流的变化而变化的特点，达到稳压的目的。

光电二极管：

可把光照强弱转变成电信号。

其中PN结硅光敏二极管是最简单、最具有代表性的光生伏特器件。

PIN型光敏二极管：

为了提高PN结硅光敏二极管的时间响应，常采用在P区与N区之间生成I型层。

APD型雪崩光敏二极管：

由于PIN管提高了PN结光敏二极管的时间响应，但未能提高器件的光电灵敏度，为了提高光敏二级管的灵敏度，设计了雪崩光敏二极管。

以下为各种二极管的实物图：

整流二极管检波二极管开关二极管

稳压二极管发光二极管光电二极管

PIN光敏二极管APD雪崩光电二极管

图17各种二极管实物图

⑷晶体三极管

按材料分有两种：

锗管和硅管。

每种又有NPN和PNP两种结构。

经常使用的是硅NPN和锗PNP型三极管。

两者除了电源极性不同外，工作原理相同。

图18三极管实物图

⑸场效应管

场效应管（FET）是电压控制器件。

用输入电压控制输出电流的变化。

图19场效应管实物图

⑹光电三极管：

光电三极管是在光电二极管的基础上发展起来的光电器件，它本身具有放大功能，目前的光电三极管是采用硅材料制作而成的。

这是由于硅元件较锗元件有小得多的暗电流和较小的温度系数。

硅光电三极管是用N型硅单晶做成N—P—N结构的。

管芯基区面积做得较大，发射区面积却做得较小，入射光线主要被基区吸收。

与光电二极管一样，入射光在基区中激发出电子与空穴。

在基区漂移场的作用下，电子被拉向集电区，而空穴被积聚在靠近发射区的一边。

由于空穴的积累而引起发射区势垒的降低，其结果相当于在发射区两端加上一个正向电压，从而引起了倍率为β+1（相当于三极管共发射极电路中的电流增益）的电子注入，这就是硅光电三极管的工作原理。

图20光电三极管实物图

⑦红外对管

通常将用于发射和接收红外光的光电发射管和接收管称为红外对管，由于发射的光在人眼不可见的近红外区域，因此可以避免可见光的影响。

红外对管的外形与普通圆形的发光二极管类似。

图21红外对管实物图

⑧集成电路

集成电路是采用半导体制作工艺，在一块较小的单晶硅片上制作上许多晶体管及电阻器、电容器等元器件，并按照多层布线或遂道布线的方法将元器件组合成完整的电子电路。

它在电路中用字母“IC”表示。

图22集成电路芯片实物图

五、常用电路介绍：

1、方波发生电路：

（1）555定时器方波发生电路：

图23555定时器方波发生电路

电路如图23所示，其中：

周期,频率

占空比

（2）非门构成的无稳态多谐振荡器：

图24无稳态多谐振荡器

电路图如图24所示。

该电路输出方波的上升、下降沿时间较短，并可调节频率和波形对称性。

调节VR1可改变波形的对称性，调节VR2可改变波形的频率。

（3）由运算放大器构成的方波发生器：

图25运算放大器构成的方波发生器

电路如图25所示。

当运放输出为高电平时，输出电压通过D1、R1向C1充电，当输出电压为低电平时，电容C1通过R2、D2放电，从而形成振荡。

D3、D4为齐纳二极管，用以限制输出电压幅度。

翻转电平由R3、R4电阻网络决定。

其中：

方波占空比因数：

周期：

其中，为方波输出辐度，为齐纳二极管的齐纳电压，为二极管的正向压降。

2、光发射驱动电路：

（1）LED驱动电路：

图26LED驱动电路

电路如图26所示。

三极管Q1采用开关管，在输入方波的驱动下处于开关状态，电容