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。
光电转换
放大滤波
同步相关
低通滤波
方波发生
驱动
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C1起加速作用。
对于一些简单的应用场合，该电路也适合用于激光二极管的驱动。
流过LED的峰值电流为：
其中
为LED正向导通压降，
为三极管饱和时CE端压降。
（2）射极耦合LD驱动电路：
图27射极耦合LD驱动电路
图27中，半导体三极管BG1、BG2通过射极电阻Re耦合形成电流开关。
BG1、BG2轮流工作在导通-截止的开关状态。
当Vin为“0”码时，则BG1导通、BG2截止，LD上只有电流IB流过，故LD不发出激光；当Vin为“1”码时，则BG1截止、BG2导通，LD上有电流IM+IB流过，故LD发出激光。
射极耦合电流开关驱动电路适用于中速率和高速率光纤通信系统。
IB为LD的阈值电流。
（3）脉冲驱动电路：
图28中，三极管Q1处于开关状态，当输入信号为高电平时Q1饱和导通，电容C1通过Q1、LD放电；当输入信号为低电平时，Q1截止，VCC经R3向电容C1充电，由此LD产生光脉冲，光脉冲宽度由C1大小及放电回路等阻抗决定。
图28脉冲驱动电路
（4）带反馈的LD驱动电路：
图29带反馈的LD驱动电路
图29中，光电二极管P1用于监控LD输出光功率大小，其输出的光电流反馈给Q1输入端，用以调整LD的阈值电流，以起到稳定LD输出光功率的作用。
3、光电转换电路：
（1）光电三极管电路：
图30光电三极管电路
光电三极管有较高的灵敏度，但响应速度一般为μs级。
图30电路可用于一般场合（如遥控器）的光电转换。
（2）双极型光电前置放大电路：
图31中，双极型输入具有输入阻抗低、输入电压噪声小、输入电流噪声大的特点。
前置放大器设计重点之一是要尽量减少电路噪声，并且前置放大器接收的信号较弱，为此Q1的静态工作点一般设置在靠近截止区的位置。
光电二极管P1可根据不同的需要选用普通光电二极管（PD）、带耗尽层的光电二极管（PIN）或雪崩光电二极管（APD）。
为跨阻，该放大器的输出由压
可由下述公式描述：
其中
为光电二极管P1的光电流。
图31双极型光电前置放大电路
（3）FET型光电前置放大电路：
图32FET型光电前置放大电路
图32和图31的不同之处是输入极采用FET，它的特点是输入阻抗大、输入电压噪声大、输入电流噪声小。
（4）采用集成器件的光电前置放大电路：
图33采用集成器件的光电前置放大电路
图33为采用集成器件的光电前置放大器，该电路的特点是设计简单，但电路的性能取决于采用何种集成电路。
4、信号放大电路：
信号放大电路一般处于光电接收系统的中间级，该型电路在设计时着重要考虑的指标是：
电压放大倍数、带宽、动态范围、线性度等，对噪声指标一般不予重点考虑。
由于该型电路接收的信号较大，因此该型电路的静态工作点一般设置在放大区的中心点。
（1）晶体管信号放大电路：
晶体管放大器一般可分为共发射极、共集电极、共基极三种基本形态，在具体应用时可根据实际情况来选用。
采用分立元件的放大器成本较低，但体积偏大，并且设计较复杂，许多参数需经计算而确定。
图33为共发射极放大器。
图34晶体管信号放大电路
（2）采用运放的信号放大电路：
图35采用运放的信号放大电路
采用运算放大器具有电路简洁、易于设计的特点。
图35a为反相放大器，图35b为同相放大器。
反相放大器的参数计算公式为：
放大倍数：
低通3dB截止频率：
同相放大器的参数计算公式为：
放大倍数：
低通3dB截止频率：
注：
采用运放的放大器其频带参数还受到运放的增益带宽乘积的影响。
5、带通滤波电路：
（1）多环反馈型带通滤波器：
图36多环反馈型带通滤波器
图36电路为采用单运放多环反馈型RC有源滤波器，该型滤波器具有输入阻抗高，输出阻抗低，输出与输入之间隔离良好，通带系数可以灵活调节等优点。
但可处理的信号频带受运算放大器带宽的限制。
设C3=C4=C，该电路几个重要参数的计算公式如下：
中心频率：
中心频率增益：
等效品质因数：
3dB带宽：
（2）积分式带通滤波器：
图37积分式带通滤波器
图37为采用3运放的积分式RC有源带通滤波器。
为了获得良好的温度特性，通常选用封装在一个管壳内的运算放大器组。
设R3=R4=R,C1=C2=C，R5=R6=R所参数的计算公式为：
中心频率：
中心频率增益：
等效品质因数：
3dB带宽：
从上几式可以看出，电路
值与R无关。
因此，通过调整R值可以单独调节中心频率，而改变R1或R2可以单独改变
值。
6、整流电路：
图38整流电路
图38A为半波整流电路，图38B为全波整流电路，图38C为桥式整流电路。
半波整流电路整流效率低，全波、桥式整流电路效率高，桥式整流电路可提供浮地输入。
在实际应用中可根据不同的需要选择具体的整流电路。
7、锁相电路：
图39锁相电路
图39的锁相电路中，IC2A-D四个电子开关起到乘法器的作用，IC1A、电阻R2-R4、电容C1-C4组成低通滤波放大器，+Vr、-Vr为互为反相的参考信号，该参考信号应和输入信号同频且相位固定。
当参考信号+Vr为高电平时，-Vr为低电平，设输入信号为方波且与-Vr同相，则与+Vr反相，此时电子开关IC2A、IC2B导通，IC2C、IC2D关闭，信号经R2输入低通滤波放大器，经反相放大滤波输出正电压；当参考信号+Vr为低电平时，-Vr为高电平，输入信号为高电平，此时电子开关IC2A、IC2B关闭，IC2C、IC2D导通，信号经R1输入低通滤波放大器，经同相放大滤波输出正电压。
因此最终的输出为与输入信号辐度相关的正直流电平。
设
，
，
，
为输入信号辐度，
为输入信号与参考信号相位差，
为输入等效噪声带宽。
该电路几个重要参数的计算公式如下：
输出电压：
信噪比改善：
8、计数电路
采用集成芯片CD40192可以进行BCD码计数，为了获得两位数的计数。
可以将两片CD40192进行级联，具体的CD40192实物图和两位计数器的连接图如图40所示：
CD40192实物图两位计数器电路图
图40计数电路
9、译码电路
在硬件电路中，驱动数码管显示，可以采用译码芯片对数码管实现译码驱动。
如CD4511芯片，该芯片可以将输入的BCD码转换成共阴数码管的段码信号，驱动数码管显示。
具体的芯片及电路连接图如图41所示：
CD4511
图41CD4511典型电路图
10、电源电路
（1）晶体管稳压电路：
图42晶体管稳压电路
图42为采用晶体管的串联调整型稳压电路，其中Q1为放大管，Q2为调整管，R1、R2组成采样电阻网路，DZ为基准电压稳压管。
输出电压UO的计算公式为：
其中
为基准电压，
为晶体管Q1基极与发射极之间的电压。
（2）三端固定输出稳压电路：
图43三端固定输出稳压电路
三端固定电压式集成稳压器具有性能好、可靠性高、易于使用等特点。
其输出电压为固定值，可正可负，在实际使用时可选用合适的输出电压型号，目前市场使用较多的有78XX、79XX系列。
图43为采用7805三端稳压器稳压电路，输出电压值为5V。
（3）三端可调输出稳压电路：
图44三端可调输出稳压电路
三端可调电压式集成稳压器，具有性能好、可靠性高、易于使用，并且输出电压可调的特点。
图44为采用W117M三端可调稳压器的稳压电路，其输出电压计算公式为：
其中1.25V为W117M内部提供的基准电压。
值可取120Ω或240Ω，
值可根据输出电压值选择，一般为1KΩ至几KΩ。
六、电路板设计要点：
电路板的设计主要是通过电脑辅助软件来完成的。
目前市场上有多种电路板设计软件，一般场合用的较多的是PROTEL公司推出的系列软件，如：
PROTEL98、PROTEL99、PROTEL99SE、PROTELDXP等，这些软件随着版本的升级虽然在功能上有所不同程度的增强，但对-般应用而言，其设计电路板的基本思路是一致的。
以下以PROTEL99为例，对电路板设计的一般过程及要点加以说明。
1、电路板设计步骤
一般而言，设计电路板最基本的过程可以分为三大步骤。
（1）电路原理图的设计:
电路原理图的设计主要是PROTEL099的原理图设计系统（AdvancedSchematic）来绘制一张电路原理图。
在这一过程中，要充分利用PROTEL99所提供的各种原理图绘图工具、各种编辑功能，来实现我们的目的，即得到一张正确、精美的电路原理图。
（2）产生网络表:
网络表是电路原理图设计（SCH）与印制电路板设计（PCB）之间的一座桥梁，它是电路板自动布线的灵魂。
网络表可以从电路原理图中获得，也可从印制电路板中提取出来。
（3）印制电路板的设计:
印制电路板的设计主要是针对PROTEL99的另外一个重要的部分PCB而言的，在这个过程中，我们借助PROTEL99提供的强大功能实现电路板的版面设计，完成布线等工作。
2、绘制电路原理图：
原理图（SCH）设计过程可按下面过程来完成：
（1）设计图纸大小：
在进行原理图设计前，首先要构思好图纸大小。
图纸大小是根据电路图的规模和复杂程度而定的，设置合适的图纸大小是设计好原理图的第一步。
有时电路复杂而庞大，可将电路折分成几张图，然后用一张层次图将它们有机地联系起来。
（2）设置Protel99/Schematic设计环境：
包括设置格点大小和类型，光标类型等等，大多数参数也可以使用系统默认值。
（3）放置元件：
用户根据电路图的需要，将元件从元件库里取出放置到图纸上，并对放置元件的序号、元件封装进行定义和设定等工作。
有时元件库可能找不到合适的元件，这时可以对元件库中相似的元件进行编辑，也可以使用软件提供的元器件定制功能定制新元件。
（4）元件布局：
调整元件，将相互关联的元件尽量靠近放，并将元件按功能模块的形式加以摆放，使整个电路图结构分明。
（5）原理图布线：
利用Protel99/Schematic提供的各种工具，将图纸上的元件用具有电气意义的导线、符号连接起来，构成一个完整的原理图。
（6）调整线路：
将初步绘制好的电路图作进一步的调整和修改，使得原理图更加美观。
（7）电气检查：
利用Protel99/Schematic提供的电气规则检查功能对电路进行电气检查，根据结果提示修改线路。
（8）报表输出：
通过Protel99/Schematic提供的各种报表工具生成各种报表,其中最重要的报表是网络表,通过网络表为后续的电路板设计做好准备。
（9）文件保存及打印输出：
最后的步骤是文件保存及打印输出。
3、设计印刷电路板：
印刷电路板（PCB）设计原则需要遵循的原则如下：
（1）元器件的布局：
应该把相互有关的元件尽量放得近一些，有利于实现最短布线。
对于那些易产生噪声的器件（例如，时钟发生器、晶振、CPU的时钟输入端都易产生噪声。
）、大电流电路、开关电路等，应尽量使其远离电路中较敏感的信号端，例如，前置放大器、放大器、逻辑控制电路、存储电路（ROM、RAM），如果可能的话，可以将这些电路另外制成电路板，这样有利于抗干扰，提高电路工作的可靠性。
（2）关键元件的放置：
如运放、振荡模块、ROM、RAM等芯片的电源端靠近安装去耦电容。
实际上，印制电路板走线、引脚连线和接线等都可能含有较大的电感效应。
大的电感可能会在Vcc走线上引起严重的开关噪声尖峰。
防止Vcc走线上开关噪声尖峰的唯一方法，是在VCC与电源地之间安放一个0.1uF的电子去耦电容。
如果电路板上使用的是表面贴装元件，可以用片状电容直
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