光電探測課程設計--光電警報器設計

1、<p><b>　　光電探測課程設計</b></p><p>　　課題名稱： 光電警報器設計 </p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第一章 緒論3</b></p><p>　　1.1 設計背

2、景3</p><p>　　1.2 設計目的3</p><p>　　第二章 電路原理圖設計4</p><p>　　2.1調(diào)制電路設計與分析4</p><p>　　2.2 放大電路設計與分析5</p><p>　　2.3 濾波器設計與分析6</p><p>　　2.4 報警電路設計與分析

3、8</p><p><b>　　第三章 總結8</b></p><p><b>　　參考文獻8</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p><b>　　1.1 設計背景</b></p><p>　

4、　今年來，隨著光電技術的發(fā)展，光電檢測技術也成為了一門新的檢測技術。光電檢測技術就是利用電子技術對光信號進行檢測、放大、分析。光電技術通過光學系統(tǒng)先把非電學量轉換成光學量，然后通過光電檢測或者光熱檢測器件將光學量轉換成電信號。再通過光放大器件將光信號放大，信號通過濾波器件濾去噪聲，最后再將光信號轉換成電信號。然后可以通過噪聲分析模塊對對噪聲產(chǎn)生的原理和規(guī)律進行分析。OrCAD是一款現(xiàn)在電路設計中常用的設計軟件，它集合了多種電路設計和分析

5、功能。本次設計就是使用其中的capture模塊對一個報警電路的設計。</p><p><b>　　1.2 設計目的</b></p><p>　　本次設計采用定時器構成多諧振蕩器電路，產(chǎn)生振蕩信號，驅動紅外發(fā)光二極管，并使用光敏二極管探測該紅外信號，發(fā)光二極管調(diào)制電源設計；利用定時器為發(fā)光二極管的調(diào)制電源。電源調(diào)制頻率在最小可調(diào)范圍為3kHz~7KHz，輸出波形占空比為

6、50%，且發(fā)光二極管的輸出功率可以調(diào)節(jié)。得到的微弱電流信號經(jīng)低噪聲集成運放放大，再經(jīng)運放器對放大后的信號濾波，信號中心頻率為5KHz，濾波后的信號送至光電報警電路。當紅外發(fā)光管與光敏二極管之間的區(qū)域被隔斷時，報警電路部分的紅燈亮。而當電路正常接受到5KHz光脈沖時，發(fā)光二極管不亮。</p><p>　　第二章 電路原理圖設計</p><p>　　2.1調(diào)制電路設計與分析</p>

7、<p>　　如圖2-1所示，調(diào)制電路的設計是基于555多諧振蕩電路原理進行設計的。555多諧振蕩電路沒有穩(wěn)態(tài)，不需要外加觸發(fā)信號，當電源V通過電阻R1和R2對電容器C充電，Uc升高到2V/3時，U0跳變到低電平，D端導通，電容C通過R2和D端放電，使Uc下降到V/3時，再變?yōu)楦唠娖?，D端截止，開始通過R1、R2對電容充電。由于充放電過程路徑一樣，而且時間一樣，因此占空比為50%。</p><p>　

8、　圖 2-1 555多諧振蕩電路</p><p>　　基于上面的555多諧振蕩電路圖，調(diào)節(jié)R1的大小即可調(diào)節(jié)輸出的頻率。此處C1固定為0.2uF，通過計算可知，7KHz 輸出頻率對應的R1約為0.5K，5KHz輸出頻率對應的R1約為0.7K，3KHz輸出頻率對應的R1約為1.2K。因此R1選用2K大小的可調(diào)電阻。</p><p>　　為保證發(fā)光二極管工作安全需要串聯(lián)一個電阻，再接入一個波形

9、發(fā)生器，最終電路圖如圖2-2所示。</p><p>　　其中，根據(jù)電路知識可以知道充放電時間和電頻矩形脈沖頻率為：</p><p><b>　　，</b></p><p>　　所以為了得到5K矩形脈沖，可以使:</p><p>　　=5000Ω,=0.286μF</p><p>　　使用輸出電平為

10、12V的電壓，一般紅外LED的工作電流為20mA，電壓為2V，因此限流電阻R2=500Ω。</p><p>　　圖 2-2 555定時器構成的多諧振蕩器</p><p>　　2.2 放大電路設計與分析</p><p>　　如圖2-2所示是光放大電路的基本電路。光電探測中的光放大電路有光電導和光伏模式，由于器件選用的是光敏二極管，因此要選擇光伏模式。此時，光電二極管處

11、于零偏置狀態(tài)，沒有暗電流、低噪聲，線性度很好。實際應用中，電路要在Rf上并聯(lián)一個小電容C從而使電路可以穩(wěn)定運行。設計中應注意一下幾點：選用的光電二極管結電容要小，采取零偏壓方式減小暗電流，反饋電阻在滿足帶寬要求下盡量大，給反饋電阻并聯(lián)一個小電容，在滿足信號帶寬的情況下選用帶寬小的運放等。</p><p>　　圖 2-3光伏模式放大器基本電路</p><p>　　由于光敏二極管在工作時近似于

12、一個電流源Is，因此在進行微弱電流信號放大時必須考慮如何進行I-V轉換。采用直接轉換的方法時，如果Is不是一個理想的電流源，則R不能獲得所有的電流；另外如果R后面接放大器時，放大器的內(nèi)部電阻是和R并聯(lián)的，這將使得Is流過的等效電阻變得不確定。因此通常不采用直接電阻轉換的方法。采用U2=1KΩ，U3=0.1μF可以在測量中去除電路中的1/f躁聲。在計算過程中有：</p><p><b>　　，，</

13、b></p><p>　　可以選擇電阻值為1KΩ的兩個電阻作為和，而可以設為100Ω，若設、、三個電阻的并聯(lián)合電阻為，則為90Ω。一般光電探測中的微電流大小約為=20μA，那么=-2.22V。最終的放大電路圖如下所示：</p><p>　　圖 2-4 微信號放大電路</p><p>　　溫度的變化造成光敏二極管等效電阻的變化會嚴重到影響電路的直流噪聲增益。電路

14、每升高10度，偏流增加1倍。不同溫度下不同金屬之間進行電氣連接將產(chǎn)生熱電勢。因此為避免偏流問題，選材最好選用同溫的相同材料，降低放大器工作電壓，降低輸出驅動要求，采取散熱措施。輸入失調(diào)電壓可以通過外部失調(diào)調(diào)零電路。補償電容決定了信號的帶寬，閉環(huán)帶寬則由增益帶寬積決定。補償電容越小得到較大的信號帶寬，但相位容限也相應減少。低頻增益由電阻決定，高頻增益由電容決定。增大補償電容，降低高頻噪聲增益，降低信號帶寬，但積分帶寬增大，即閉環(huán)帶寬增大。

15、后續(xù)增加簡單的德濾波器就能顯著降低輸出噪聲，濾去了大部分閉環(huán)帶寬內(nèi)的噪聲，電阻噪聲和電流噪聲成了噪聲主要來源。</p><p>　　2.3 濾波器設計與分析</p><p>　　濾波器可以采用有源濾波器，因為其體積小、質量輕、價格便宜、結構合理可集成。本設計中濾波器采用二階濾波，其中第一部分為低通濾波，第二部分為高通濾波。如圖3所示是二階濾波器的基本結構。</p><p

16、>　　圖 2-5 二階放大電路</p><p>　　如圖2-6中，R1、R2 和C1組成低通濾波，C2和R3組成高通濾波。由題目要求取f=5KHz，另外為了方便計算可取C1=C2=C,品質因數(shù)Q=10，H=5 可得：</p><p>　　電壓增益函數(shù)： Av (j)=</p><p><b>　　中心電壓增益： </b></p&

17、gt;<p>　　中心頻率： </p><p>　　品質因素； </p><p>　　3dB帶寬： </p><p>　　圖 2-6 二階濾波器電路圖</p><p>　　2.4 報警電路設計與分析</p><p>　　本次設計中要求當電路在沒有接收到光脈沖時，紅色發(fā)光二極

18、管要處于發(fā)光狀態(tài)，當接收到了5KHZ光脈沖時發(fā)光二極管熄滅。因此可以用LF353配置成一個比較放大器。放大器的正端加2V的左右的偏壓，負端加信號電壓。當光線順利傳播到光電檢測器件上的PN結時，從主放大器來的交流信號經(jīng)二極管檢波電路，再經(jīng)C2低通濾波后得到直流電壓，使后面的放大器負輸入端電位大于或等于正輸入端電位，則放大器輸出電壓近似為零，LED管截止，不發(fā)光。當光線被阻斷時，信號消失，放大器只有正端加正電壓，輸出為正電壓，LED管導通發(fā)

19、出紅色光以示報警。C2的放電時間尤其重要，它決定了系統(tǒng)的時間靈敏度，如果光脈沖在被阻斷的一瞬間，C2上的電壓還沒有降到預定值1V以下，則會出現(xiàn)漏報錯誤。電路圖設計如下：</p><p>　　圖 2-7 報警電路圖</p><p>　　C1和R1是承接主放大電路的高通濾波部分，其截止頻率為</p><p>　　D1和R3組成二極管檢波電路，同時R3作為C2的放電通道，

20、D1導通時C2開始充電，設輸入信號經(jīng)高通濾波后通過二極管半波整流后的有效值為0.5Vrsm，Vrsm是輸入脈沖幅度的最大值，此處設為5V，則C2充電的最終值約為0.5×5＝2.5，考慮到R2對C2的放電效應，實際電壓應該小于2.5V，此處估計C2的最終充電電壓為2.2V。</p><p>　　在本設計中C2的放電時間決定了系統(tǒng)的時間靈敏度，所以對它的設計是非常重要的，如果當光脈沖被阻擋的時候，C2上的電

21、壓還沒有降到預定值1V以下，則會出現(xiàn)漏報錯誤，因為接收的光頻率為5KHz因此可知光脈沖周期為0.2mS，若C2的放電時間為1/2個周期，即0.1mS，因此在這半個周期中如果C2上的2V電壓無法通過R3放電而降到預定值1V以下，設靈敏度為10ms，即出現(xiàn)1ms的光脈沖被阻斷，C2上的電壓在T2=1mS的時間段放電至1V以下時就會警報，當C2取10uF時可知：</p><p>　　C2的充電電壓達到1V時LF353組

22、成的比較放大器發(fā)生翻轉，C2充電電壓達到1.6V左右時輸出將趨于0，而圖中反相放大倍數(shù)設計為－4，正相放大倍數(shù)為5，因此為了使輸出端接近0，LF353的正相輸入端電壓大約為4×1.7/5=1.36V。R5和R6的值可以根據(jù)輸入端電壓估算出來。</p><p>　　當光脈沖信號被遮擋時，C2的電壓可當做0處理，則LF353的輸出電壓大約在6.8V左右，為防止電流過大而燒壞器件，LED應該加上阻值幾百歐姆的

23、R7。</p><p>　　根據(jù)LF353組成的比較器可知，C2上的電壓需要達到約1V才能使LF353輸出翻轉，因此充電時間為：</p><p>　　其中1.7V是C2的最終充電電壓，RD為二極管的導通電阻，非常小，因為C2取值在法量級，因此大致可以估計出充電時間T1在微秒量級以下。充電時間的大小影響到系統(tǒng)從警報狀態(tài)到警戒狀態(tài)的恢復時間，還影響電路開啟時進入警戒狀態(tài)的時間，充電時間越快，進

24、入警戒狀態(tài)的時間越短。</p><p><b>　　總結</b></p><p>　　本次設計設計了一個由LED控制的光敏報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含了四個部分：LED調(diào)制電路、光放大電路、濾波電路以及報警電路。OrCAD Capture作為行業(yè)標準的PCB原理圖輸入方式，是當今世界最流行的原理圖輸入工具之一，具有簡單直觀的用戶設計界面。OrCAD Capture CIS具有

25、功能強大的元件信息系統(tǒng)，可以在線和集中管理元件數(shù)據(jù)庫，從而大幅提升電路設計的效率。在設計過程中，先通過查找翻閱相關書籍以及視頻教程學習了如何使用OrCAD，知道了如何建立工程、選用器件、畫電路圖以及封裝和波形分析。由于此次設計只需畫出電路圖，隨后通過電路知識和在網(wǎng)上及其他書本上的資料信息在紙上畫出草圖之后根據(jù)要求計算出各部分器件的規(guī)格，然后使用PSPICE軟件的capture模塊畫出并連接好電路。最終得到了設計要求的電路圖。盡管在設計過

26、程中遇到了較多的問題，如第一次使用軟件不夠熟練，以及電路知識匱乏，但最終通過查閱資料，這些問題都一一解決。因此，通過這次設計，更好地鍛煉了查找和使用資料信息的能力，并學會了一些PSPICE軟件的基礎應用。而且通過本次設計，對電路的知識也有了很大的豐富，學會了如何設計多諧振蕩調(diào)</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　CHEN Yeong Ch

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