光电子课程设计光电警报器

光电子课程设计一.课程设计目的：1.学会用振荡电路设计发光管调制电源的方法；2.了解微弱信号放大电路的设计思想；3.熟悉集成运算放大器的各类性能参数；4.了解带通滤波器从躁声中检出弱信号的方法；5.学会多重反馈有源带通滤波器的设计步骤和参数计算；6.练习如何进行光电信号检测系统的联调试验；二.课程设计简介：主要采用了NE555定时器构成多谐振荡器电路，产生振荡信号，驱动砷化镓红外发光二极管HG412A，并使用2CU2D硅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LF353放大，再经运放uA741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。当红外发光管与硅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，设计思路见下图三.课程设计内容：1.发光二极管调制电源设计[1]设计要求：利用LM555CN为HG412A砷化镓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]工作原理：输出端OUT的高电平通过可变电阻R1对电容器U2充电，使U2逐渐升高到2VCC/3，输出端OUT跳变为地电平，电容器U2又通过可变电阻R1向输出端OUT放电，当U2下降到VCC/3时，输出端OUT又变为高电平。电容器在VCC/3和2VCC/3之间充电和放电，输出端OUT输出连续的矩形脉冲。由于充放电通道相同，所以输出的波形占空比为50％。[3]计算过程：充电时间T1=放电的时间T2：T1=T2=ln2*RC=0.7R输出的电平的矩形脉冲的频为：f=1/(T1+T2)=1/（1.4RC）光电探测调制电源光源低噪声放大电路有源带通滤波电路光电报警电路要使输出为5K矩形脉冲：R=6.5KC=0.22uF用NE555组成的多谐振荡器来驱动发光二极管，输出的电平为12V，设发光二极管的工作电流为Id=30mA,电压为Vd=1.5V,计算可得限流电阻为R2=360。[4]电路及波形图：2.光电微弱信号放大电路设计[1]设计要求：本电路是应用低噪声集成运放LF353的A部分设计的微弱信号放大电路，用于2CU2D型光电二极管输出的微弱电流信号前置放大。放大倍数1000-2000可调，输出要求出去1/f低频噪声。[2]工作原理：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，有两种方法进行转换，一是直接电阻转换，即电流源连接电阻R，然后与取R上的电压进行放大；二是采用跨阻放大的方法进行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。U2=1KΩ，U3=0.1Uf是为了在测量中出去电路中的1/f躁声。[3]计算过程：Ir3=R1*Is，Ir2=Ir3+Is，Uo=-Is*(R1+R2+R1*R2/R3)取R1=10K,R2=1K，R3=100则R4=R1//R2//R3=90取100若Is=30uA则Uo=-3.33V[4]电路及波形图：3.多重反馈有源带通滤波器设计[1]设计要求：利用运放uA741设计二阶有源低通滤波器对放大电路输出信号进行滤波。要求品质因数Q=10，中心频率f0=5KHz，中频增益H=5。[2]工作原理：滤波器是一种能使有用频率的信号通过而同时能对无用频率的信号进行抑制或衰减的电子装置。图中R1,R2和C1组成低通滤波：C2和R3组成高通滤波。[3]计算过程：取C1=C2=C,Q=10，f=5KHz，H=5可得：电压增益函数：Av(jw)=)](1[221313RRwCCwRjRR中心电压增益：1302/RRA中心频率：)11(1212130RRRCf品质因素；)11(212130RRRQ3dB带宽：CRBW3/1[4]电路及波形图：4.光电报警电路设计：[1]设计要求：在发光二极管光源，微弱信号放大器和带通滤波器的基础上，利用集成运放LF353的B部分和普通二极管设计光电报警电路。当电路未接受到5KHZ光脉冲时点亮红色发光二极管，正常接受5KHZ光脉冲时发光二极管不点亮。[2]工作原理：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。当光线未阻断时，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。[3]电路及波形图：随开关S开闭，波形发生变化四.课程设计总结：作为一名电子科技专业光电子方向的学生，平时课程比较偏重于光学理论以及光电子材料方面的研究，电路设计方面是自己的弱项。而此次课程设计，让我充分的认识到了自己的不足，通过自己查找资料，研究元件特性，以及自学专业软件来进行仿真分析，这一周让我学到了不少东西。通过先后使用EWB以及MULTISIM并且经过比较之后，初步对这两种软件有了一定的认识。MULTISIM作为EWB的升级版，本身8.0版本就包含EWB5.12。我个人认为在一些细节方面，EWB有诸多不足。比如说元件库不够丰富；设计图层没有网格，不易对齐；无法同时打开多个图层；元件在改变方向时，标注也随之改变方向，从而造成麻烦；VCC电压大小不易设置等等。当然功能也是由软件大小来决定的，EWB毕竟只有几十M。