光電探測課程設(shè)計--光電警報器設(shè)計

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

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

3、8</p><p><b>　　第三章 總結(jié)8</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)8</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p><b>　　1.1 設(shè)計背景</b></p><p>　

4、　今年來，隨著光電技術(shù)的發(fā)展，光電檢測技術(shù)也成為了一門新的檢測技術(shù)。光電檢測技術(shù)就是利用電子技術(shù)對光信號進(jìn)行檢測、放大、分析。光電技術(shù)通過光學(xué)系統(tǒng)先把非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成光學(xué)量，然后通過光電檢測或者光熱檢測器件將光學(xué)量轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jìn)行分析。OrCAD是一款現(xiàn)在電路設(shè)計中常用的設(shè)計軟件，它集合了多種電路設(shè)計和分析

5、功能。本次設(shè)計就是使用其中的capture模塊對一個報警電路的設(shè)計。</p><p><b>　　1.2 設(shè)計目的</b></p><p>　　本次設(shè)計采用定時器構(gòu)成多諧振蕩器電路，產(chǎn)生振蕩信號，驅(qū)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(shè)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(yùn)放放大，再經(jīng)運(yùn)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(dāng)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(dāng)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(shè)計</p><p>　　2.1調(diào)制電路設(shè)計與分析</p>

7、<p>　　如圖2-1所示，調(diào)制電路的設(shè)計是基于555多諧振蕩電路原理進(jìn)行設(shè)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(dāng)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(dǎo)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(yīng)的R1約為0.5K，5KHz輸出頻率對應(yīng)的R1約為0.7K，3KHz輸出頻率對應(yīng)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(gòu)成的多諧振蕩器</p><p>　　2.2 放大電路設(shè)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(dǎo)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(yīng)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(yùn)行。設(shè)計中應(yīng)注意一下幾點：選用的光電二極管結(jié)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(yùn)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(jìn)行微弱電流信號放大時必須考慮如何進(jìn)行I-V轉(zhuǎn)換。采用直接轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shè)為100Ω，若設(shè)、、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(yán)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(jìn)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(qū)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(bǔ)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(bǔ)償電容越小得到較大的信號帶寬，但相位容限也相應(yīng)減少。低頻增益由電阻決定，高頻增益由電容決定。增大補(bǔ)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(shè)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(zhì)量輕、價格便宜、結(jié)構(gòu)合理可集成。本設(shè)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(jié)構(gòu)。</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(zhì)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(zhì)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(shè)計與分析</p><p>　　本次設(shè)計中要求當(dāng)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(dāng)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(fù)端加信號電壓。當(dāng)光線順利傳播到光電檢測器件上的PN結(jié)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(fù)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(dāng)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(dǎo)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(yù)定值1V以下，則會出現(xiàn)漏報錯誤。電路圖設(shè)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(dǎo)通時C2開始充電，設(shè)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(shè)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(yīng)，實際電壓應(yīng)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(shè)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(shè)計是非常重要的，如果當(dāng)光脈沖被阻擋的時候，C2上的電

21、壓還沒有降到預(yù)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(yù)定值1V以下，設(shè)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(dāng)C2取10uF時可知：</p><p>　　C2的充電電壓達(dá)到1V時LF353組

22、成的比較放大器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，C2充電電壓達(dá)到1.6V左右時輸出將趨于0，而圖中反相放大倍數(shù)設(shè)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(dāng)光脈沖信號被遮擋時，C2的電壓可當(dāng)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(yīng)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(dá)到約1V才能使LF353輸出翻轉(zhuǎn)，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(dǎo)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(fù)時間，還影響電路開啟時進(jìn)入警戒狀態(tài)的時間，充電時間越快，進(jìn)

24、入警戒狀態(tài)的時間越短。</p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　本次設(shè)計設(shè)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(biāo)準(zhǔn)的PCB原理圖輸入方式，是當(dāng)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(shè)計界面。OrCAD Capture CIS具有

25、功能強(qiáng)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(shè)計的效率。在設(shè)計過程中，先通過查找翻閱相關(guān)書籍以及視頻教程學(xué)習(xí)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(shè)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(shè)計要求的電路圖。盡管在設(shè)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(shè)計，更好地鍛煉了查找和使用資料信息的能力，并學(xué)會了一些PSPICE軟件的基礎(chǔ)應(yīng)用。而且通過本次設(shè)計，對電路的知識也有了很大的豐富，學(xué)會了如何設(shè)計多諧振蕩調(diào)</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　CHEN Yeong Ch

27、in,WU Menq Jiun,LIU Wei Kuo 等. PSPICE controlled-source models of analogous circuit for Langevin type piezoelectric transducer[J].中國科學(xué)G 輯(英文版), 2007, 50(1): 87-96.</p><p>　　劉長文,趙瑋,張清華等.紅外光電報警器的研究[J].光學(xué)技術(shù), 20

28、06, 32(z1): 269-270.</p><p>　　李鵬,祝連慶,陳青山,等.微弱光信號的光電探測放大電路的設(shè)計[J].北京信息科技大學(xué),中國科學(xué)院光電研究院. 2010, 2.</p><p>　　李明遠(yuǎn),陳文濤.微弱光信號前置放大器電路設(shè)計[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報,2006, 11(11): 114-114.</p><p>　　陳玻若.紅外系統(tǒng).國防