1、PAGE 14大連民族學院大 連 民 族 大 學 課 程 設(shè) 計（論 文）多檔光功率計設(shè)計學 院 （系）：物理與材料工程學院 專 業(yè)：光電子技術(shù)科學 學 生 姓 名： 學 號：2012153211 指 導(dǎo) 教 師：馮志慶 完 成 日 期：2015年07月01日 大連民族大學摘 要本次設(shè)計以通用運算放大器中的I-V轉(zhuǎn)換器和同相放大器為核心，通過多檔開關(guān)實現(xiàn)不同反饋電阻間的切換，從而實現(xiàn)多檔光功率計的設(shè)計。首先，我使用Altium Designer Summer 09軟件繪制電路原理圖與PCB板圖；其次，到實驗室，在馮老師的指導(dǎo)與幫助下，根據(jù)所繪電路原理圖，完成使用電烙鐵點焊電路板的實驗設(shè)計，該電

2、路板中有六個電阻、兩個OP07芯片、硅光電池和若干導(dǎo)線等；再其次，利用萬用表調(diào)試電路板，直至調(diào)試無誤；接著，打開光源鎢燈，利用積分球提供穩(wěn)定光，對硅光電池進行照射，通過改變積分球的出射光功率改變光照強度，在不同光功率下使用萬用表分別測量電路最終的輸出電壓，記錄數(shù)據(jù)；然后，切換I-V轉(zhuǎn)換電路的反饋電阻，改變光功率計的檔位，重復(fù)上一步驟，記錄數(shù)據(jù)；而后，根據(jù)所得數(shù)據(jù)，繪制P-U曲線，并對其進行標定與靈敏度計算；最后，分析整體電路的輸入與輸出特性，得出本次課程設(shè)計圓滿完成的結(jié)論。關(guān)鍵詞：通用運算放大器、多檔開關(guān)、Altium Designer Summer 09大連民族大學大連民族大學目 錄 TOC

3、 o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc424152217 一、緒論 PAGEREF _Toc424152217 h 1 HYPERLINK l _Toc424152218 1.1 設(shè)計背景 PAGEREF _Toc424152218 h 1 HYPERLINK l _Toc424152219 1.2 設(shè)計任務(wù) PAGEREF _Toc424152219 h 1 HYPERLINK l _Toc424152220 1.3 基本理論知識 PAGEREF _Toc424152220 h 1 HYPERLINK l _Toc424152221 1.3.1 半導(dǎo)體三極管 PAGERE

4、F _Toc424152221 h 1 HYPERLINK l _Toc424152222 1.3.2 理想運算放大器 PAGEREF _Toc424152222 h 2 HYPERLINK l _Toc424152223 1.3.3 同相放大器 PAGEREF _Toc424152223 h 2 HYPERLINK l _Toc424152224 1.3.4 反相放大器 PAGEREF _Toc424152224 h 3 HYPERLINK l _Toc424152225 1.3.5 I-V轉(zhuǎn)換器 PAGEREF _Toc424152225 h 3 HYPERLINK l _Toc42415

5、2226 1.3.6 多檔開關(guān) PAGEREF _Toc424152226 h 4 HYPERLINK l _Toc424152227 1.4 其他理論知識 PAGEREF _Toc424152227 h 4 HYPERLINK l _Toc424152228 1.4.1 焊接 PAGEREF _Toc424152228 h 4 HYPERLINK l _Toc424152229 1.4.2 Altium Designer Summer 09 PAGEREF _Toc424152229 h 5 HYPERLINK l _Toc424152230 二、設(shè)計方案 PAGEREF _Toc42415

6、2230 h 5 HYPERLINK l _Toc424152231 2.1 功能設(shè)計 PAGEREF _Toc424152231 h 5 HYPERLINK l _Toc424152232 2.2 原理圖設(shè)計 PAGEREF _Toc424152232 h 5 HYPERLINK l _Toc424152233 2.3 PCB設(shè)計 PAGEREF _Toc424152233 h 6 HYPERLINK l _Toc424152234 三、硬件與設(shè)備 PAGEREF _Toc424152234 h 7 HYPERLINK l _Toc424152235 3.1 PCB PAGEREF _Toc

7、424152235 h 7 HYPERLINK l _Toc424152236 3.2 硅光電池 PAGEREF _Toc424152236 h 7 HYPERLINK l _Toc424152237 3.2.1 結(jié)構(gòu)分析 PAGEREF _Toc424152237 h 7 HYPERLINK l _Toc424152238 3.2.2 工作原理 PAGEREF _Toc424152238 h 8 HYPERLINK l _Toc424152239 3.3 鎢燈 PAGEREF _Toc424152239 h 8 HYPERLINK l _Toc424152240 3.4 積分球 PAGERE

8、F _Toc424152240 h 8 HYPERLINK l _Toc424152241 3.5 OP07CP芯片 PAGEREF _Toc424152241 h 9 HYPERLINK l _Toc424152242 3.6 其他工具 PAGEREF _Toc424152242 h 9 HYPERLINK l _Toc424152243 四、實驗過程 PAGEREF _Toc424152243 h 10 HYPERLINK l _Toc424152244 4.1 實驗步驟 PAGEREF _Toc424152244 h 10 HYPERLINK l _Toc424152245 4.2 注意

9、事項 PAGEREF _Toc424152245 h 10 HYPERLINK l _Toc424152246 4.3 完成情況 PAGEREF _Toc424152246 h 11 HYPERLINK l _Toc424152247 五、數(shù)據(jù)記錄與分析 PAGEREF _Toc424152247 h 11 HYPERLINK l _Toc424152248 5.1數(shù)據(jù)記錄 PAGEREF _Toc424152248 h 11 HYPERLINK l _Toc424152249 5.2數(shù)據(jù)分析 PAGEREF _Toc424152249 h 12 HYPERLINK l _Toc4241522

10、50 5.2.1 理論放大系數(shù) PAGEREF _Toc424152250 h 12 HYPERLINK l _Toc424152251 5.2.2 靈敏度 PAGEREF _Toc424152251 h 12 HYPERLINK l _Toc424152252 5.2.3 P-U曲線（標定曲線） PAGEREF _Toc424152252 h 12 HYPERLINK l _Toc424152253 5.2.4 模擬P-U表 PAGEREF _Toc424152253 h 13 HYPERLINK l _Toc424152254 5.3誤差分析 PAGEREF _Toc424152254 h

11、 13 HYPERLINK l _Toc424152255 5.3.1放大系數(shù)誤差分析 PAGEREF _Toc424152255 h 13 HYPERLINK l _Toc424152256 5.3.2靈敏度誤差分析 PAGEREF _Toc424152256 h 13 HYPERLINK l _Toc424152257 六、實驗總結(jié) PAGEREF _Toc424152257 h 14 HYPERLINK l _Toc424152258 七、參考文獻 PAGEREF _Toc424152258 h 14多檔光功率計設(shè)計PAGE 15一、緒論1.1 設(shè)計背景隨著教學的深入開展，本專業(yè)光電子技

12、術(shù)科學的學生有必要了解與掌握一些基本的實驗電路設(shè)計的技能，并能有相應(yīng)的動手實驗?zāi)芰Α１敬握n程設(shè)計以通用運算放大器中的I-V轉(zhuǎn)換器和同相放大器為主，通過切換不同的反饋電阻，實現(xiàn)多檔光功率的測量。1.2 設(shè)計任務(wù)（1）使用Altium Designer Summer 09軟件繪制電路原理圖與PCB；（2）根據(jù)設(shè)計電路板的功能與結(jié)構(gòu)，選取所需元件；（3）使用電烙鐵，把各個元件正確地點焊在電路板上；（4）使用萬用表調(diào)試焊接好的電路板，直至無誤為止；（5）使用萬用表測量與記錄在不同光功率下的電壓值，切換反饋電阻，重復(fù)測量與記錄，最后對多檔光功率計進行標定，并繪制標定曲線。1.3 基本理論知識完成該設(shè)計，

13、需掌握以下基本理論知識。1.3.1 半導(dǎo)體三極管圖1.1 半導(dǎo)體三極管三極管由兩個PN結(jié)組成，分為PNP和NPN兩種類型，具有電流放大作用。發(fā)射區(qū)的摻雜濃度最高；基區(qū)最薄，摻雜濃度最低；集電區(qū)面積最大。1.3.2 理想運算放大器圖1.2 理想運算放大器理想運算放大器的輸入電阻為無窮大，輸出電阻為無窮?。ń茷榱悖?，電壓放大倍數(shù)為無窮大等。在線性區(qū)工作時有以下特點：輸入電流等于零，這種現(xiàn)象稱為“虛斷”；差模輸入電壓等于零，這種現(xiàn)象稱為“虛短”；2與3相互跟隨變化，且二者關(guān)系為（2）；虛地：3接地，相當于2接地（虛地）等。1.3.3 同相放大器圖1.3 同相放大器同相放大器的電壓信號從同相輸入端輸

14、入，采用電壓串聯(lián)負反饋結(jié)構(gòu)，具有共模抑制比要求高、輸入電阻高和輸出電阻低的特點。根據(jù)計算可得：v0v0=(1+RF因此，同相放大器的電壓增益為 。1.3.4 反相放大器圖1.4 反相放大器反相放大器的電壓信號從反相輸入端輸入，采用電壓并聯(lián)負反饋結(jié)構(gòu)，具有共模抑制比要求低、輸入電阻和輸出電阻較低的特點。根據(jù)計算可得：v-=Av=-R2R1因此，反相放大器的電壓增益為 。1.3.5 I-V轉(zhuǎn)換器圖1.5 I-V轉(zhuǎn)換器I-V轉(zhuǎn)換器是實現(xiàn)電流轉(zhuǎn)換為電壓的放大器。根據(jù)計算可得：V該電路組成的I-V轉(zhuǎn)換器避免了運放輸入失調(diào)電壓、偏入偏置電路和失調(diào)電流影響帶來的積分誤差，也避免了電容的漏電流帶來的誤差，但對

15、電阻和運放的精度要求較高。1.3.6 多檔開關(guān)圖1.6 多檔開關(guān)多檔開關(guān)是指一個可以使電路開路、使電流中斷或使其流到其他電路的電子元件，它含有一個或數(shù)個接通點，接點的“閉合”（closed）表示電子接點導(dǎo)通，允許電流流過；開關(guān)的“開路”（open）表示電子接點不導(dǎo)通形成開路，不允許電流流過。1.4 其他理論知識1.4.1 焊接焊接，也稱作熔接、镕接，是一種以加熱、高溫或者高壓的方式接合金屬或其他熱塑性材料如塑料的制造工藝及技術(shù)。焊接的能量來源有很多種，包括氣體焰、電弧、激光、電子束、摩擦和超聲波等。焊接可在多種環(huán)境下進行，如野外、水下和太空。無論在何處，焊接都可能給操作者帶來危險，所以在進行焊

16、接時必須采取適當?shù)姆雷o措施。焊接通過下列三種途徑達成接合的目的：（1）加熱欲接合之工件使之局部熔化形成熔池，熔池冷卻凝固后便接合，必要時可加入熔填物輔助；（2）單獨加熱熔點較低的焊料，無需熔化工件本身，借焊料的毛細作用連接工件（如軟釬焊、硬焊）；（3）在相當于或低于工件熔點的溫度下輔以高壓、疊合擠塑或振動等使兩工件間相互滲透接合（如鍛焊、固態(tài)焊接）。本次課設(shè)使用第二種途徑進行焊接操作。1.4.2 Altium Designer Summer 09Altium Designer是原Protel軟件開發(fā)商Altium公司推出的一體化的電子產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)，主要運行在Windows操作系統(tǒng)。Altium

17、 Designer的主要功能有：原理圖設(shè)計印刷電路板設(shè)計FPGA的開發(fā)嵌入式開發(fā)3D PCB設(shè)計Altium Designer這套軟件通過把原理圖設(shè)計、電路仿真、PCB繪制編輯、拓撲邏輯自動布線、信號完整性分析和設(shè)計輸出等技術(shù)的完美融合，為設(shè)計者提供了全新的設(shè)計解決方案，使設(shè)計者可以輕松進行設(shè)計，熟練使用這一軟件必將使電路設(shè)計的質(zhì)量和效率大大提高。二、設(shè)計方案2.1 功能設(shè)計制作一個能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能的電路：實現(xiàn)電流轉(zhuǎn)換為電壓與電壓放大；實現(xiàn)切換反饋電阻的多檔光功率測量；實現(xiàn)電路安全穩(wěn)定,能夠測量與記錄實驗數(shù)據(jù)等。2.2 原理圖設(shè)計圖2.1 功能流程圖圖2.1為本次設(shè)計的電路的功能流程圖，該電路

18、需要實現(xiàn)從光源到光電轉(zhuǎn)換，光電轉(zhuǎn)換到IV轉(zhuǎn)換，IV轉(zhuǎn)換到電壓放大，電壓放大到功率轉(zhuǎn)換的功能。圖2.2 電路原理圖根據(jù)電路的功能設(shè)計的要求，使用Altium Designer Summer 09軟件繪制多檔光功率計的原理圖，如圖2.2所示。U1為I-V轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)把由P1端的硅光電池D受光照產(chǎn)生的電流轉(zhuǎn)換為電壓的功能；U2為同相放大器,把U1產(chǎn)生的電壓信號進行比例放大，輸出放大的電壓信號；S為多檔開關(guān)，可切換到不同的反饋電阻實現(xiàn)不同檔位間的變換，其中各個電阻的阻值為：R1a=10K,R1b=100K,R1c=300K,R2=100R,R3=100K,R4=100K。2.3 PCB設(shè)計圖2.3 印

19、制電路板圖 圖2.4 印制電路板圖（敷銅）使用Altium Designer Summer 09軟件進行PCB封裝設(shè)計，設(shè)計結(jié)果為圖2.3和圖2.4所示。三、硬件與設(shè)備在本次課程設(shè)計中，需要用到電路板、硅光電池、鎢燈、積分球、OP07CP芯片、管座、電阻、電烙鐵、焊錫、偏口鉗、萬用表和導(dǎo)線等硬件設(shè)備。3.1 PCB圖3.1-3.2 PCB3.2 硅光電池圖3.3 硅光電池結(jié)構(gòu)示意圖硅光電池（又稱太陽能電池）是一種直接把光能轉(zhuǎn)換成電能的半導(dǎo)體器件，其結(jié)構(gòu)簡單，核心部分是一個面積較大的PN結(jié)，并具有光生伏特效應(yīng)，即受到光照時能產(chǎn)生的電動勢和電流。它可用作光電探測器和光電池，被廣泛用于太空和野外便攜

20、式儀器等的能源，具有壽命長、使用方便、無噪音、無污染等優(yōu)點。在本次課程設(shè)計中，采用硅光電池作為多檔光功率計的探測器。3.2.1 結(jié)構(gòu)分析硅光電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.3所示，主要由兩部分組成：N型硅基片層和P型硅受光層。根據(jù)PN結(jié)原理，當光照在P型硅表面，且光子能量大于材料的禁帶寬度時，在PN結(jié)內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對，N區(qū)電子密度增加，P區(qū)空穴密度增加，如果外電路處于開路狀態(tài)，那么這些光生電子和空穴積累在PN結(jié)附近，使P區(qū)獲得附加正電荷，N區(qū)獲得附加負電荷，這樣在PN結(jié)上產(chǎn)生一個光生電動勢，這一現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。如果連接靈敏電流計形成閉合電路，則在回路中產(chǎn)生光電流，光電流的大小與入射光強有關(guān)。3.2

21、.2 工作原理硅光電池的工作原理是基于光生伏特效應(yīng)。當半導(dǎo)體PN結(jié)處于零偏或反偏時，在它們的結(jié)合面耗盡區(qū)存在一內(nèi)電場，當有光照時，入射光子將把處于價帶中的束縛電子激發(fā)到導(dǎo)帶，激發(fā)出的電子空穴對在內(nèi)電場作用下分別漂移到N型區(qū)和P型區(qū)，當在PN結(jié)兩端加負載時就有一光生電流流過負載。流過PN結(jié)兩端的電流由下式確定：I=其中：Is(飽和電流);V(PN結(jié)兩端的電壓);T(絕對溫度);Ip(產(chǎn)生的光電流)圖3.4 硅光電池的伏安特性曲線當在硅光電池兩端加負載就會有電流流過，當負載很小時，電流較小而電壓較大；當負載很大時，電流較大而電壓較小。圖3.4為硅光電池的伏安特性曲線。3.3 鎢燈鎢燈，一種用于各種

22、類型商場、酒店、店鋪、家居等裝飾設(shè)計照明及儀器照明的燈具，具有燈光效高、壽命長、光色良好的特點。3.4 積分球圖3.5 積分球原理圖積分球（Integrating sphere）是一個內(nèi)壁涂有白色漫反射材料的空腔球體，又稱光度球和光通球， 其特點是具有高反射性內(nèi)表面的空心 HYPERLINK /view/353306.htm t _blank 球體。球壁上開一個或幾個窗孔，用作進光孔和放置光接收器件的接收孔。積分球的內(nèi)壁應(yīng)是良好的球面，通常要求它相對于理想球面的偏差應(yīng)不大于內(nèi)徑的0.2%。球內(nèi)壁上涂以理想的漫反射材料（漫反射系數(shù)接近于1）。常用的材料是氧化鎂或硫酸鋇，將它和膠質(zhì)粘合劑混合均勻后

23、，噴涂在內(nèi)壁上。氧化鎂涂層在可見光譜范圍內(nèi)的光譜反射比都在99%以上，這樣，進入積分球的光經(jīng)過內(nèi)壁涂層多次反射，在內(nèi)壁上形成均勻照度。為獲得較高的測量準確度，積分球的開孔比應(yīng)盡可能小。開孔比定義為積分球開孔處的球面積與整個球內(nèi)壁面積之比。3.5 OP07CP芯片圖3.6 OP07CP封裝圖OP07是高精度低失調(diào)電壓的精密運放集成電路,用于微弱信號的放大，如果使用雙電源，能達到最好的放大效果。3.6 其他工具圖3.7 電烙鐵 圖3.8 焊錫圖3.9 偏口鉗 圖3.10 萬用表電烙鐵，用于焊接元件及導(dǎo)線。焊錫，是在焊接線路中連接電子元器件的重要工業(yè)原材料，廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)、家電制造業(yè)、汽車制造業(yè)

24、、維修業(yè)和日常生活中。偏口鉗，電工常用工具之一，又稱為“斜口鉗”，主要用于剪切導(dǎo)線，元器件多余的引線。萬用表，一種多功能、多量程的測量儀表，一般可測量直流電流、直流電壓、交流電流、交流電壓、電阻和音頻電平等，有的還可測量交流電流、電容量、電感量及半導(dǎo)體的一些參數(shù)等。四、實驗過程4.1 實驗步驟（1）提前使用Altium Designer Summer 09軟件繪制電路原理圖與PCB；（2）兩人一組，找齊所需設(shè)備與元件；（3）使用電烙鐵把各個元件焊接到電路板上；（4）在電路板管座上安裝OP07CP芯片，使用萬用表調(diào)試電路板；（5）在調(diào)試無誤后，用鎢燈和積分球提供穩(wěn)定光源，對硅光電池進行照射，通過

25、改變積分球的出射光功率改變光照強度，在不同光功率下使用萬用表分別測量電路最終的輸出電壓，記錄數(shù)據(jù)； （6）切換I-V轉(zhuǎn)換電路的反饋電阻，改變光功率計的檔位，重復(fù)上一步驟，記錄數(shù)據(jù)；（7）檢查整體實驗情況，確認后整理實驗室，打掃衛(wèi)生，實驗完成。4.2 注意事項安全第一，正確使用設(shè)備，操作過程中保護電路元件，避免靜電造成元件損傷；降低噪聲信號，提高數(shù)據(jù)真實性。4.3 完成情況圖4.1 焊接后的PCB 圖4.2 多檔反饋電阻圖4.3 硅光電池電路 圖4.4 整體電路圖4.1所示電路板，點焊了兩個管座、兩個OP07芯片、三個電阻（阻值分為100R、100K和100K）和若干導(dǎo)線等，該電路板構(gòu)成I-V轉(zhuǎn)

26、換電路和同相放大電路；圖4.2所示電路板，點焊了四個電阻（阻值分為10K、100K、300K和470K），其中選用10K、100K和300K的電阻作為本次課程設(shè)計的多檔反饋電阻。五、數(shù)據(jù)記錄與分析5.1數(shù)據(jù)記錄表5.1 多檔光功率計設(shè)計實驗數(shù)據(jù)表實驗在較為理想情況下進行，分別測量光功率計在不同輸出光功率和不同檔位（即10K反饋電阻、100K反饋電阻和300K反饋電阻）下的輸出電壓，得到如表5.1所示的實驗數(shù)據(jù)表。5.2數(shù)據(jù)分析下面結(jié)合設(shè)計的電路，計算與分析測得的數(shù)據(jù)。5.2.1 理論放大系數(shù)放大系數(shù)A理=1+R4/R3=1+100K/100K=2。5.2.2 靈敏度對所得數(shù)據(jù)進行計算處理，得到

27、光功率計各檔位的P-U關(guān)系式分別為，10K反饋電阻：y = 0.4011x - 0.00671100K反饋電阻：y = 4.0067x - 0.01582300K反饋電阻：y = 11.974x + 0.10553靈敏度（Sensitivity）是衡量物理儀器的一個標志，由123式可得，光功率計各檔位的靈敏度分別為：10K反饋電阻：0.4011；100K反饋電阻：4.0067；300K反饋電阻：11.974可知，光功率計的靈敏度與反饋電阻的阻值成正比，反饋電阻越高，靈敏度越高。因此，合理選擇反饋電阻，以匹配相應(yīng)的靈敏度尤為重要。5.2.3 P-U曲線（標定曲線）圖5.1 輸入光功率與輸出電壓（P-U）曲線根據(jù)表5.1所得數(shù)據(jù)，使用Excel軟件繪制了輸入光功率與輸出電壓（P-U）曲線，如圖5.1所示。由圖5.1可知，輸入光功率與輸出電壓（P-U）關(guān)系在光功率為0-5W的范圍內(nèi)，具有良好的線性關(guān)系。5.2.4 模擬P-U表圖5.2 輸入光功率與輸出電壓（P-U）標定表盤根據(jù)表5.1所得數(shù)據(jù)，模擬真實電表，繪制標定表盤，即P-U表，如圖5.2所示，使用該表盤能夠?qū)崿F(xiàn)把所測的光功率值換算為對應(yīng)的電壓值的讀數(shù)