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光信号示波器接收头研制的设计.rar

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    编号:20180802233200517    类型:共享资源    大小:4.94MB    格式:RAR    上传时间:2018-08-02
      
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    信号 示波器 接收 研制 设计
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    重庆大学本科学生毕业设计(论文)光信号示波器接收头研制的设计学 生:罗 刚学 号:20032625指导教师:邹 建专 业:信息工程重庆大学光电工程学院二 OO 七年六月Graduation Design(Thesis) of Chongqing UniversityDesign of Light signal oscilloscope receiver developmentUndergraduate: Luo gangSupervisor:Assistant Prof.Zou jian Major: Information EngineeringOpto-electronic Engineering CollegeChongqing UniversityJune 2007重庆大学本科学生毕业设计(论文) 中文摘要I摘 要光电传感器是将光转化成电的器件。由于它的精度高,反应快,在军事、民用电器和工业控制上的应用十分广泛。本文首先分析了光电传感器的特点、分类和发展现状,提出使用 PIN 光电二极管的原因,并详细介绍其特点。在设计要求下,分析实现的方法和途径。由于 PIN 光电二极管输出为电流,而示波器显示一般用电压,所以用电流-电压转换电路实现电流到电压的转换。这样就能实现在示波器上显示光信号了,即达到了目的。在整个电路中也要考虑放大的问题。但是在实现电流-电压转换的时候,用的电流-电压反馈电路,我们可以在反馈电阻的使用上达到目的,即在光电二极管的光电流一定的前提下,反馈电阻越大,电压越大。同时,我们还可以根据示波器本身电压倍数可以调节,来达到放大电路的目的。任何电路都不能离开电源。在本设计中,要使用到集成运放 CA3140。我们使用 220V-9V 的变压器,再利用交流直流转换器,实现交流到直流的转换,并用电容调整波形,最后提供直流电源。当然,上面所提到的只是设计的思路,我们还需要仿真模拟。在本设计中,我们使用了电路仿真软件 multisim。在该软件中,我们得到了理想的仿真结果,达到了设计的要求。关键词: PIN 光电二极管,电流电压转换,multisim 仿真软件重庆大学本科学生毕业设计(论文) 英文摘要IIABSTRACTThe electro-optical sensor is the component which convertes the light into electricity. Because it’s highly precision, responds quickly, it is extremely widespread in the military, the civil electric appliance and the industry control application .This article has first analyzed the electro-optical characteristic, the classification and the present situation of development, then proposed the reason using the PIN photodiode, and gave details of its features. Under the design request, analysis realization method and way. Because the PIN photodiode outputs for the electric current, but the oscilloscope demonstrated generally uses the voltage, therefore uses the current - voltage switching transform the electric current to the voltage. This will achieve the oscilloscope showing the optical signal, which is to achieve its purpose. In the entire electric circuit also must consider the problem of amplification. But in achieving the current-voltage conversion, with the current-voltage feedback circuit we may reach the goal in the feedback resistance using, namely premise the photoelectric current certainly, the feedback resistance is bigger, the voltage is greater. Meanwhile, we can also adjusted oscilloscope itself multiple voltage to achieve the purpose amplifier.Any electric circuit needs the power source. In this design, integrated operational amplifier CA3140 needs power. we use 220V-9V transformer, AC to DC conversion, and capacitance adjustment the wave. Certainly, above mentioned is only the design mentality, we also need the simulation. In this design, we have used circuit simulation software 'multisim'. In this software, we obtained the ideal simulation result, has met the design requirements.Key words: PIN photodiode, Current—voltage conversionMultisim Simulation Software 重庆大学本科学生毕业设计(论文) 目录III目 录中文摘要 ...................................................................................................ⅠABSTRACT..............................................................................................Ⅱ1 绪论 .........................................................................................................11.1 光电传感器 ............................................................................................11.1.1 光电传感器的原理 ..............................................................................11.1.2 光电传感器的分类 .............................................................................11.1.3 光电传感器的应用和发展现状 ...............................................................21.2 光探测器 ...............................................................................................21.3 主要工作 ................................................................................................41.4 实现途径 ................................................................................................42 PIN 光电二极管 .....................................................................................62.1 光电效应 ...............................................................................................62.1.1 光电导效应 ......................................................................................62.1.2 光伏效应 .........................................................................................82.2 PIN 光电二极管结构 ................................................................................92.3 PIN光电二极管的主要特性………………………………………………………………102.3.1 伏安特性2.3 PIN光电二极管的主要特性…………………………………………102.3.2 量子效率 η ...................................................................................112.3.3 响应度 R0 ......................................................................................112.3.4 响应速度 .......................................................................................113 PIN 光电检测电路 ................................................................................123.1 基本电路分析 .......................................................................................123.2 噪声分析 .............................................................................................133.2.1 散粒噪声 .......................................................................................143.2.2 热噪声 ..........................................................................................143.3 减小噪声的改进电路 ..............................................................................163.4 设计 PIN 光电检测电路的一般原则 ............................................................174 设计与仿真 ............................................................................................184.1 设计的检测电路 .....................................................................................184.2 集成运放 CA3140 ...................................................................................19重庆大学本科学生毕业设计(论文) 目录IV4.3 电路的仿真 ..........................................................................................204.3.1 仿真软件介绍 ................................................................................204.3.2 仿真实验 .......................................................................................205 驱动电源的设计 ..................................................................................245.1 整流电路的设计 ..................................................................................245.1.1 半波整流电路 ...............................................................................245.1.2 全波整流电路 ..............................................................................265.1.3 桥式整流电路 ..............................................................................275.2 电容滤波电路 ......................................................................................295.2.1 滤波的基本概念 ............................................................................295.2.2 电容滤波电路 .............................................................................305.2.3 滤波原理 ....................................................................................305.2.4 电容滤波电路参数的计算 ...............................................................316 硬件制作与调试 .................................................................................326.1 硬件制作 ............................................................................................326.2 硬件调试 ............................................................................................327 结束语 .................................................................................................357.1 本论文工作总结 ..................................................................................357.2 有待完善之处 ...................................................................................35参考文献 ...................................................................................................37重庆大学本科学生毕业设计(论文) 1 绪论11 绪论本设计是本科生教育改革中的前期探索。在本科生教育开放性实验中,有许多的实验是根据本科生自身的要求和特点展开的。本设计做的是探测光信号的波形情况,它主要用于在其他实验中,将某信号如电信号转换成光信号的转换效率或失真程度的判定上。本设计的要求虽然简单,但意义是十分巨大的。本次毕业设计的任务十分明确:学习 multisim 软件,并了解其在电子设计中的使用,掌握基本操作规程。设计光电接收前置单元并且在 multisim 中进行模拟仿真。最终制作硬件系统,调试及改进。在整个毕业设计中,锻炼了学生解决问题的设计思路,又掌握了一门很好的电子线路仿真和设计的 EDA 工具软件。在硬件制作中,锻炼了自身的动手能力和实际解决电子线路板常见问题的能力,这为实际工作奠定了基础。1.1 光电传感器1.1.1 光电传感器的原理光电传感器又叫光传感器,是将光信号转换为电信号的一种传感器。敏感波长在可见光(0.38~0.76um)附近,包括红外线光(0.76~1000um)和紫外线光(0.005~0.4um) 。其工作原理是基于一些物质的光电效应。光敏二极管是最常见的光传感器。光敏二极管的外型与一般二极管一样,只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口,以便于光线射入,为增加受光面积,PN 结的面积做得较大,光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下,并与负载电阻相串联,当无光照时 ,它与普通二极管一样,反向电流很小(<µA) ,称为光敏二极管的暗电流;当有光照时,载流子被激发,产生电子-空穴,称为光电载流子。在外电场的作用下,光电载流子参于导电,形成比暗电流大得多的反向电流,该反向电流称为光电流。光电流的大小与光照强度成正比,于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。 1.1.2 光电传感器的分类常见的光电传感器有光电管、光敏电阻、光敏晶体管、光电偶合器、颜色传感器、红外光传感器、紫外光传感器、光纤传感器和 CCD 图象传感器。我们按光电效应把传感器分为3类:(1)在光线作用下能使电子逸出物体表面的外光电效应,如光电管、光电倍增管等;(2)在光线作用下能使物体的电阻率改变的内光电效应,如光敏电阻、光敏晶体管等;(3)在光线作用下物重庆大学本科学生毕业设计(论文) 1 绪论2体产生一定方向电动势的光生伏特效应,如光电池等。在本次设计中,光信号接收头接收的是微弱快速的光信号,在灵敏度、光谱响应范围及频率特性等方面的要求很高,故采用光生伏特型。常用的光生伏特型有Si光电二极管、PIN光电二极管和APD光电二极管。由于Si光电二管的光—电转换速度较慢、探测调极制频率较低(光脉冲频率太高时,出现漏掉光脉冲的现象)等缺点;APD光电二极管响应时间极短,即上千兆的响应频率,主要用于红外激光探测。故我们选用PIN光电二极管。它是在P—n结之间加一本征层(I层)。只要适当控制本征层厚度,使它近似等于反偏压下耗尽层的宽度,就可使响应波长范围和频率响应得到改善,且本征层对提高器件灵敏度和频率响应起着十分重要的作用。由于本征层的存在,使载流子渡越时间非常短,响应速度很快,可以检测调制频率较高(10 9Hz级)的光信号。1.1.3 光电传感器的应用和发展现状光电式传感器可用于检测直接引起光量变化的非电量,如光强、光照度、辐射测量、气体成分分析等;也可以用于检测能转化成光量变化的其它非电量,如直径、表面粗糙度、应变位移、振动、速度、加速度以及物体形状、工作状态的识别等。光电传感器,由于反应快、精度好、无接触测量,因此在军事、工业控制和民用电器中的应用十分广泛。在军事上主要包括:水下探测、航空监测、核辐射检测等;在工业控制上,能检测零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度、以及物体形状、工作状态的识别等;在民事上,其应用更是不胜枚举,如打印机、传真机、色度计、医疗诊断仪器等。美国是最早将光电传感器用于民用领域的国家。20世纪90年代,日本由东芝、日本电气等15家公司和研究机构,研究开发出多种具有一流水平的民用光电传感器。西欧各国的大型企业和公司也积极参与光电传感器的研发和市场竞争。我国对光电传感器研发的起步时间与国际相差不远。目前,已有上百个单位在光电温度传感器、压力计、流量计、液位计、电流计等领域进行了大量的研究,取得了上百项科研成果,有的达到了世界先进水平。但与发达国家相比,我国的研究水平还有不小的差距,主要表现在商品化和产业化方面,大多数品种仍处于实验研制阶段,还无法投入批量生产和工程化应用。1.2 光探测器光探测器是由光传感器和信号处理器组成的光信号探测器件。光探测器的波长要求与光源的波长匹配,并能可靠的用于光纤传输系统。目前常用的有两种半导体光探测器,即具有本征层的光电二极管(PIN)和雪崩光电二极管(APD) 。重庆大学本科学生毕业设计(论文) 1 绪论3半导体光探测器都是利用光电效应的原理制成的。所谓光电效应是指一定波长的光照射到半导体的 PN 结时,价带上的电子吸收光子能量而跃迁到导带,使导带中有了电子,价带中有了空穴,从而使 PN 结中产生光生载流子的一种现象。为提高光探测器的响应速度和转换率,在 PN 结中 P 型材料和 N 型材料之间增加一层轻掺杂的 N 型材料(即 I 层,也称为本征半导体层) ,就构成了 PIN管。APD 管是利用光生载流子在耗尽区内的雪崩倍增效应产生光电流的倍增作用(即内部电流放大作用)的光电二极管。所谓雪崩倍增效应是指 PN 结外加高反向偏压后,在耗尽层内形成一个强电场,在耗尽层吸收光子时,光源发出的光生载流子被强电场加速,以极高的速度与耗尽层的晶格发生碰撞,产生新的光生载流子,并形成连锁反应,从而使光电流在光电二极管内部获得倍增。衡量光探测器光/电转换效率的特征参数有量子效率和响应度。量子效率η 定义为转换形成光电流的电子-空穴对数同入射光子数之比,即:式(1.1)ePIhfInP12式中,η—量子效应; n1—入射光子数; n2—光生载流子数;IP—光生电流(A) ;P —入射光功率(W ) ;h f—光子能量(J) ;h—普朗克常数,h=6.626×10 -34j/Hz;f—入射光频率(Hz) ;e —电子电荷,e=1.6×10 -19C。响应度表示单位入射光功率所产生的光电源,即光探测器的平均输出电流与入射光功率之比,具体表示为:式(1.2)24.1hfePRIp式中,R —光探测器的响应度(A/W) ;I P—光生电流(A ) ;P—入射光功率( W) ;hf—光子能量(J) ; η—量子效率;e—电子电荷, e=1.6×10-19C;λ—入射光波长(um) 。光探测器的响应度是入射光波长的函数。入射光波长太短时,材料对光的吸收系数变得很大,光探测器的光/电转换效率会大大降低。另一方面,入射光波长重庆大学本科学生毕业设计(论文) 1 绪论4必须小于半导体光探测器材料的禁带能级所要求的截止波长,以保证入射光满足发生光电效应的条件。 不同材料的典型响应度特性表 1.1半导体材料 符号 工作波长范围/NM 峰值波长范围/NM 典型响应度/(A/W)硅 Si 400~1100 800~1000 0.65(800nm)锗 Ge 1000~1600 1300~1500 0.75(1310nm)铟镓砷 InGeAs 900~1700 1300~1600 0.90(1550nm)PIN 管和 APD 管的性能比较表 1.2 项目 本征层的光电二极管(PIN) 雪崩光电二极管(APD)制作工艺 简单 复杂成本 低 高灵敏度 稍差 可比 PIN 管高 3db~10db偏置电压 低 高暗电流 小(最大数纳安培) 高(数十至数百安培)适用范围 中低速中短距离、高速短距离传输 中高速中长距离传输所以选用 PIN 光电二极管1.3 主要工作1、学习 multisim 软件,掌握基本操作规程;2、 设计光电接收前置单元并仿真运行;3、 制作硬件系统,调试及改进。1.4 实现途径1、设计准备:在研制光信号接收头前,首先要对本课题现状进行调查,了解现在国内外的研究现状,查询并翻译相关技术资料,学习 multisim 软件,掌握基本操作规程。再进行系统设计、零件选择和方案分析论证,对系统的复杂程度、
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