11光电探测课程设计资料.docx
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11光电探测课程设计资料
光电探测课程设计
课题名称：
光电警报器设计
专业班级：
2011级（激光01）班
学生学号：
1109080128
学生姓名：
朱峰
学生成绩：
指导教师：
戴智刚
课题工作时间：
2014.6.3至2014.6.6
武汉工程大学教务处
一、课程设计的任务和要求
要求：
1、具备独立查阅光电子器件参数、光电探测设计电路、光电系统设计相关文献和资料的能力；能提出并较好地的实施方案；具有收集、加工各种信息及获得新知识的能力。
2、具备独立设计光控系统的能力，能对基本探测系统进行研究、分析及比较的能力。
3、具备采用计算机软件进行数值计算、仿真、绘图等能力。
4、工作努力，遵守纪律，工作作风严谨务实，按期圆满完成规定的任务。
5、综述简练完整，立论正确，论述充分，结论严谨合理；文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，书写工整规范，图表完备、整洁、正确。
6、工作中有创新意识，对前人工作有一定改进或独特见解。
7、内容不少于3000字，图和计算结果可以打印。
技术参数：
采用定时器构成多谐振荡器电路，产生振荡信号，驱动红外发光二极管，并使用光敏二极管探测该红外信号，得到的微弱电流信号经低噪声集成运放放大，再经运放器对放大后的信号滤波，信号中心频率为5KHz，滤波后的信号送至光电报警电路。
当红外发光管与光敏二极管之间的区域被隔断时，报警电路部分的红灯亮。
而当电路正常接受到5KHz光脉冲时，发光二极管不亮。
任务：
1、发光二极管调制电源设计；利用定时器为发光二极管的调制电源。
电源调制频率在最小可调范围为3kHz~7KHz，输出波形占空比为50%，且发光二极管的输出功率可以调节。
2、光电微弱信号放大电路设计；
3、多重反馈有源带通滤波器设计；
4、光电报警电路设计；
5、用PSPICE软件绘制相应电路图；
二、进度安排
1、2014.6.3选题、分析资料、提出设计方案
2、2014.6.4-2014.6.5讨论、修改方案，写出初稿
3、2014.6.6定稿交稿
三、参考资料或参考文献
[1]华成英，童诗白.模拟电子技术基础[M].北京：
高等教育出版社，2006：
74-116.
[2]阎石.数字电子技术基础[M].北京：
高等教育出版社，2006：
466-488.
[3]姚建铨.光电子技术.北京：
高等教育出版社，2006：
158-165.
[4]杨承毅.电子技能实训基础——电子元器件的识别和检测.北京：
人民邮电出版社出版发行，2005：
115-123.
[5]光行天下
指导教师签字：
戴智刚2014年6月3日
教研室主任签字：
2014年6月3日
四、课程设计摘要（中文）
摘要
ORCADCapture模块是一款基于Windows操作环境下的电路设计工具，是行业标准的PCB原理图输入方式，是当今世界最流行的原理图输入工具之一。
OrCADCaptureCIS具有功能强大的元件信息系统，可以在线和集中管理元件数据库，从而大幅提升电路设计的效率。
本次设计就是使用CaptureCIS模块设计了一个光控报警电路。
该电路包括LED多谐振荡调制电路、光放大电路、滤波电路以及报警电路。
首先，通过查找资料知道如何设计基本的电路图，然后分析添加一些器件之后，最终，用软件画出了要求的电路图。
该电路的调制电路是基于555定时器的红外光LED发光电路，可调范围为3kHz~7KHz，输出波形占空比为50%，放大电路对微弱光信号检测并放大，然后经过二阶滤波器，中心频率5KHz。
最后报警电路可以实现在光正常接收时报警灯不亮，信号光被阻隔时报警灯亮的功能。
关键词：
ORCADCapture，光电检测，多谐振荡，光放大，滤波器
五、课程设计摘要（英文）
Abstract
ORCADCapturemoduleisacircuitdesignbasedonWindowsoperatingenvironment,istheindustrystandardPCBschematicdiagraminputtoolandoneofthemostpopularintheworld.ORCADCaptureCIShasapowerfulinformationsystemcomponents,managementdatabaseonlineandcentralized,.Thusgreatlyenhancetheefficiencyofthecircuitdesign.ThisdesignistodesignalightalarmcircuitusingtheCaptureCISmodule.ThecircuitincludesaLEDmultivibratormodulationcircuit,opticalamplificationcircuit,filtercircuitandalarmcircuit.Firstofall,throughthesearchdatatoknowhowtodesignthecircuitdiagramofbasic,andthenanalysis,finallyaddsomedevices,usingsoftwaretodrawcircuitdiagramrequirements.ThemodulationcircuitofthecircuitisinfraredLED555timerbasedonlightemittingcircuit,adjustablerangeis3kHz~7KHz,theoutputwaveformdutyratio50%,amplificationcircuitforweakopticalsignaldetectionandamplification,andthenaftertwoorderfilter,thecenterfrequency5KHz.Finally,thealarmcircuitcanbeimplementedinthelightofnormalreceptiontimeslampdoesnotlight,signallightiswarninglightsfunctionblock.
Keywords:
ORCAD,Capture,photoelectricdetection,multivibratorharmonicoscillation,amplification,filter
六、指导教师评分
评价内容
具体要求
权重
得分
调查论证
能独立查阅文献和从事其他调研；能提出并较好地论述课题的实施方案；有收集、加工各种信息及获得新知识的能力。
10
实践能力
独立设计、计算、绘图的能力（课程设计）；能正确选择研究（实验）方法，独立进行研究的能力（学年论文）
15
分析解决问题能力
能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题（课程设计）；或能对课题进行理论分析，得出有价值的结论（学年论文）。
15
工作量、工作态度
按期圆满完成规定的任务，工作量饱满，难度较大，工作努力，遵守纪律；工作作风严谨务实。
10
质量
综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结论严谨合理（或设计过程完整，设计内容完全）；文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，书写工整规范，图表完备、整洁、正确；论文（设计）结果有参考价值。
40
外语和计算机应用能力
在课程设计或学年论文中，能够体现外语和计算机的应用能力。
5
创新
工作中有创新意识；对前人工作有改进或独特见解。
5
综合评语
指导教师签字：
年月日
七、答辩记录
记录人（签字）：
年月日
答辩意见及答辩成绩
答辩小组教师（签字）：
年月日
课程设计总评成绩：
（指导教师评分×80%+答辩成绩×20%）
目录
第一章绪论3
1.1设计背景3
1.2设计目的3
第二章电路原理图设计4
2.1调制电路设计与分析4
2.2放大电路设计与分析5
2.3滤波器设计与分析6
2.4报警电路设计与分析8
第三章总结8
参考文献8
第一章绪论
1.1设计背景
今年来，随着光电技术的发展，光电检测技术也成为了一门新的检测技术。
光电检测技术就是利用电子技术对光信号进行检测、放大、分析。
光电技术通过光学系统先把非电学量转换成光学量，然后通过光电检测或者光热检测器件将光学量转换成电信号。
再通过光放大器件将光信号放大，信号通过滤波器件滤去噪声，最后再将光信号转换成电信号。
然后可以通过噪声分析模块对对噪声产生的原理和规律进行分析。
OrCAD是一款现在电路设计中常用的设计软件，它集合了多种电路设计和分析功能。
本次设计就是使用其中的capture模块对一个报警电路的设计。
1.2设计目的
本次设计采用定时器构成多谐振荡器电路，产生振荡信号，驱动红外发光二极管，并使用光敏二极管探测该红外信号，发光二极管调制电源设计；利用定时器为发光二极管的调制电源。
电源调制频率在最小可调范围为3kHz~7KHz，输出波形占空比为50%，且发光二极管的输出功率可以调节。
得到的微弱电流信号经低噪声集成运放放大，再经运放器对放大后的信号滤波，信号中心频率为5KHz，滤波后的信号送至光电报警电路。
当红外发光管与光敏二极管之间的区域被隔断时，报警电路部分的红灯亮。
而当电路正常接受到5KHz光脉冲时，发光二极管不亮。
第二章电路原理图设计
2.1调制电路设计与分析
如图2-1所示，调制电路的设计是基于555多谐振荡电路原理进行设计的。
555多谐振荡电路没有稳态，不需要外加触发信号，当电源V通过电阻R1和R2对电容器C充电，Uc升高到2V/3时，U0跳变到低电平，D端导通，电容C通过R2和D端放电，使Uc下降到V/3时，再变为高电平，D端截止，开始通过R1、R2对电容充电。
由于充放电过程路径一样，而且时间一样，因此占空比为50%。
图2-1555多谐振荡电路
基于上面的555多谐振荡电路图，调节R1的大小即可调节输出的频率。
此处C1固定为0.2uF，通过计算可知，7KHz输出频率对应的R1约为0.5K，5KHz输出频率对应的R1约为0.7K，3KHz输出频率对应的R1约为1.2K。
因此R1选用2K大小的可调电阻。
为保证发光二极管工作安全需要串联一个电阻，再接入一个波形发生器，最终电路图如图2-2所示。
其中，根据电路知识可以知道充放电时间和电频矩形脉冲频率为：
，
所以为了得到5K矩形脉冲，可以使:
=5000Ω,
=0.286μF
使用输出电平为12V的电压，一般红外LED的工作电流为20mA，电压为2V，因此限流电阻R2=500Ω。
图2-2555定时器构成的多谐振荡器
2.2放大电路设计与分析
如图2-2所示是光放大电路的基本电路。
光电探测中的光放大电路有光电导和光伏模式，由于器件选用的是光敏二极管，因此要选择光伏模式。
此时，光电二极管处于零偏置状态，没有暗电流、低噪声，线性度很好。
实际应用中，电路要在Rf上并联一个小电容C从而使电路可以稳定运行。
设计中应注意一下几点：
选用的光电二极管结电容要小，采取零偏压方式减小暗电流，反馈电阻在满足带宽要求下尽量大，给反馈电阻并联一个小电容，在满足信号带宽的情况下选用带宽小的运放等。
图2-3光伏模式放大器基本电路
由于光敏二极管在工作时近似于一个电流源Is，因此在进行微弱电流信号放大时必须考虑如何进行I-V转换。
采用直接转换的方法时，如果Is不是一个理想的电流源，则R不能获得所有的电流；另外如果R后面接放大器时，放大器的内部电阻是和R并联的，这将使得Is流过的等效电阻变得不确定。
因此通常不采用直接电阻转换的方法。
采用U2=1KΩ，U3=0.1μF可以在测量中去除电路中的1/f躁声。
在计算过程中有：
，
，
可以选择电阻值为1KΩ的两个电阻作为
和
，而
可以设为100Ω，若设
、
、
三个电阻的并联合电阻为
，则
为90Ω。
一般光电探测中的微电流大小约为
=20μA，那么
=-2.22V。
最终的放大电路图如下所示：
图2-4微信号放大电路
温度的变化造成光敏二极管等效电阻的变化会严重到影响电路的直流噪声增益。
电路每升高10度，偏流增加1倍。
不同温度下不同金属之间进行电气连接将产生热电势。
因此为避免偏流问题，选材最好选用同温的相同材料，降低放大器工作电压，降低输出驱动要求，采取散热措施。
输入失调电压可以通过外部失调调零电路。
补偿电容决定了信号的带宽，闭环带宽则由增益带宽积决定。
补偿电容越小得到较大的信号带宽，但相位容限也相应减少。
低频增益由电阻决定，高频增益由电容决定。
增大补偿电容，降低高频噪声增益，降低信号带宽，但积分带宽增大，即闭环带宽增大。
后续增加简单的德滤波器就能显著降低输出噪声，滤去了大部分闭环带宽内的噪声，电阻噪声和电流噪声成了噪声主要来源。
2.3滤波器设计与分析
滤波器可以采用有源滤波器，因为其体积小、质量轻、价格便宜、结构合理可集成。
本设计中滤波器采用二阶滤波，其中第一部分为低通滤波，第二部分为高通滤波。
如图3所示是二阶滤波器的基本结构。
图2-5二阶放大电路
如图2-6中，R1、R2和C1组成低通滤波，C2和R3组成高通滤波。
由题目要求取f=5KHz，另外为了方便计算可取C1=C2=C,品质因数Q=10，H=5可得：
电压增益函数：
Av（j
）=
中心电压增益：
中心频率：
品质因素；
3dB带宽：
图2-6二阶滤波器电路图
2.4报警电路设计与分析
本次设计中要求当电路在没有接收到光脉冲时，红色发光二极管要处于发光状态，当接收到了5KHZ光脉冲时发光二极管熄灭。
因此可以用LF353配置成一个比较放大器。
放大器的正端加2V的左右的偏压，负端加信号电压。
当光线顺利传播到光电检测器件上的PN结时，从主放大器来的交流信号经二极管检波电路，再经C2低通滤波后得到直流电压，使后面的放大器负输入端电位大于或等于正输入端电位，则放大器输出电压近似为零，LED管截止，不发光。
当光线被阻断时，信号消失，放大器只有正端加正电压，输出为正电压，LED管导通发出红色光以示报警。
C2的放电时间尤其重要，它决定了系统的时间灵敏度，如果光脉冲在被阻断的一瞬间，C2上的电压还没有降到预定值1V以下，则会出现漏报错误。
电路图设计如下：
图2-7报警电路图
C1和R1是承接主放大电路的高通滤波部分，其截止频率为
D1和R3组成二极管检波电路，同时R3作为C2的放电通道，D1导通时C2开始充电，设输入信号经高通滤波后通过二极管半波整流后的有效值为0.5Vrsm，Vrsm是输入脉冲幅度的最大值，此处设为5V，则C2充电的最终值约为0.5×5＝2.5，考虑到R2对C2的放电效应，实际电压应该小于2.5V，此处估计C2的最终充电电压为2.2V。
在本设计中C2的放电时间决定了系统的时间灵敏度，所以对它的设计是非常重要的，如果当光脉冲被阻挡的时候，C2上的电压还没有降到预定值1V以下，则会出现漏报错误，因为接收的光频率为5KHz因此可知光脉冲周期为0.2mS，若C2的放电时间为1/2个周期，即0.1mS，因此在这半个周期中如果C2上的2V电压无法通过R3放电而降到预定值1V以下，设灵敏度为10ms，即出现1ms的光脉冲被阻断，C2上的电压在T2=1mS的时间段放电至1V以下时就会警报，当C2取10uF时可知：
C2的充电电压达到1V时LF353组成的比较放大器发生翻转，C2充电电压达到1.6V左右时输出将趋于0，而图中反相放大倍数设计为－4，正相放大倍数为5，因此为了使输出端接近0，LF353的正相输入端电压大约为4×1.7/5=1.36V。
R5和R6的值可以根据输入端电压估算出来。
当光脉冲信号被遮挡时，C2的电压可当做0处理，则LF353的输出电压大约在6.8V左右，为防止电流过大而烧坏器件，LED应该加上阻值几百欧姆的R7。
根据LF353组成的比较器可知，C2上的电压需要达到约1V才能使LF353输出翻转，因此充电时间为：
其中1.7V是C2的最终充电电压，RD为二极管的导通电阻，非常小，因为C2取值在
法量级，因此大致可以估计出充电时间T1在微秒量级以下。
充电时间的大小影响到系统从警报状态到警戒状态的恢复时间，还影响电路开启时进入警戒状态的时间，充电时间越快，进入警戒状态的时间越短。
第3章总结
本次设计设计了一个由LED控制的光敏报警系统。
该系统包含了四个部分：
LED调制电路、光放大电路、滤波电路以及报警电路。
OrCADCapture作为行业标准的PCB原理图输入方式，是当今世界最流行的原理图输入工具之一，具有简单直观的用户设计界面。
OrCADCaptureCIS具有功能强大的元件信息系统，可以在线和集中管理元件数据库，从而大幅提升电路设计的效率。
在设计过程中，先通过查找翻阅相关书籍以及视频教程学习了如何使用OrCAD，知道了如何建立工程、选用器件、画电路图以及封装和波形分析。
由于此次设计只需画出电路图，随后通过电路知识和在网上及其他书本上的资料信息在纸上画出草图之后根据要求计算出各部分器件的规格，然后使用PSPICE软件的capture模块画出并连接好电路。
最终得到了设计要求的电路图。
尽管在设计过程中遇到了较多的问题，如第一次使用软件不够熟练，以及电路知识匮乏，但最终通过查阅资料，这些问题都一一解决。
因此，通过这次设计，更好地锻炼了查找和使用资料信息的能力，并学会了一些PSPICE软件的基础应用。
而且通过本次设计，对电路的知识也有了很大的丰富，学会了如何设计多谐振荡调制电路以及数字控制电路和对一些器件的基本参数如LED的工作电流和工作电压等有了更多了解。
参考文献
[1]CHENYeongChin,WUMenqJiun,LIUWeiKuo等.PSPICEcontrolled-sourcemodelsofanalogouscircuitforLangevintypepiezoelectrictransducer[J].中国科学G辑（英文版）,2007,50
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87-96.
[2]刘长文,赵玮,张清华等.红外光电报警器的研究[J].光学技术,2006,32（z1）:
269-270.
[3]李鹏,祝连庆,陈青山,等.微弱光信号的光电探测放大电路的设计[J].北京信息科技大学,中国科学院光电研究院.2010,2.
[4]李明远,陈文涛.微弱光信号前置放大器电路设计[J].武汉理工大学学报,2006,11（11）:
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[5]陈玻若.红外系统.国防工业出版社.1998.
[6]华成英,童诗白.模拟电子技术基础[M].北京:
高等教育出版社,2006:
74-116.
[7]姚建铨.光电子技术.北京:
高等教育出版社,2006：
158-165.
[8]阎石.数字电子技术基础[M].北京：
高等教育出版社，2006：
466-488.
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