光电仪器实验指导书

实验一简单光控电路的设计及光电传感器技术参数的测定

(设计性实验)

[实验目的]

1.掌握常规光功率计，光电探测器等光电仪器的使用。

2.了解光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光耦的光电特性。

3.掌握简单的光电控制电路的设计。

[实验原理]

光敏电阻：是一种当光照射到材料表面上被吸收后，在其中激发载流子，使材料导电性能发生变化的内光电效应器件，受光照后其阻值会减少。

光敏二极管：是一种光生伏特器件，用高阻P型硅作为基片，然后在基片表面进行掺杂形成PN结。N区扩散得很浅为1um左右，而空间电荷区（即耗尽层）较宽，所以保证了大部分光子入射到耗层内。光子入射到耗层内被吸收而激发电子-空穴对，电子-空穴对在外加反向偏压V BB的作用下，空穴流向正极，形成了二极管的反向电流即光电流。光电流通过外加负载电阻后产生电压信号输出，在使用时一般加反向偏置，可以当光控开关管来使用。

光敏三极管：是一种光生伏特器件，用高阻P性硅作为基片，然后在基片表面进行掺杂形成PN结。N区扩散得很浅为1um左右，而空间电荷区（即耗尽层）较宽，所以保证了大部分光子入射到耗层内。光子入射到耗层内被吸收而激发电子-空穴对，电子-空穴对在外加反向偏压V CB的作用下，空穴流向正极，形成了三极管的反向电流即光电流。光电流通过外加负载电阻后产生电压信号输出，可以当光控开关管来使用。

光电耦合器：常用的三极管型光电耦合器原理图如图1.1所示，当电信号送入光电耦合器的输入端时，发光二极体通过电流而发光，光敏元件受到光照后产生电流，CE导通；当输入端无信号，发光二极体不亮，光敏三极管截止，CE不通。对于数位量，当输入为低电平“0”时，光敏三极管截止，输出为高电平“1”；当输入为高电平“1”时，光敏三极管饱和导通，输出为低电平“0”。

图1.1 三极管型光电耦合器原理图

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[实验仪器及配件]

光敏电阻、面包板、光电二极管、光电三极管、普通电阻、发光二极管、普通三极管、开关、直流稳压电源、万用表、光功率计、光探头、光源、导线。

[实验步骤]

1光敏电阻光电特性

实验原理图如图1.2所示，用万用表测出回路中的电流及光敏电阻两端的电压，计算出对应的阻值，同时用光功率计测出对应的当光强，然后改变光强，重复测量，得出光强与阻值的对应关系并画出关系曲线。

2 光敏二极管光电特性

实验原理图也如图1.2所示，用万用表测出光敏二极管两端的电压，同时用光功率计测出对应的当光强，然后改变光强，重复测量，得出光强与光敏二极管两端输出电压的关系曲线。

图1.2 图1.3

3 光敏三极管光电特性

将第二步中的光敏二极管换成光敏三极管，同样测出光强与光敏三极管两端输出电压的关系曲线。

4光电耦合器光电特性

实验原理图如图1.3所示，改变输入电压，利用万用表测出输出与输入的电压关系。

5.设计光控路灯电路

分别利用光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管与普通电阻、三极管、发光二极管设计并实现一光控路灯电路。

6.设计隔离传输门电路

利用光电耦合器、普通电阻、开关设计并实现一隔离传输门电路

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[思考题]

1.比较光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管用于设计光控电路时各有什么优缺点。

2.光强与光敏电阻阻值的关系是什么关系？

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实验二．使用锁相放大器测量电阻阻值

（验证性实验）

[实验目的]

1.了解锁相放大器的用途。

2.了解锁相放大器的结构组成。

3.掌握锁相放大器的基本操作方法。

[实验原理]

本实验想要对一种材料的电阻值进行测量，并且在测量的过程中不想造成电能的过分浪费。如果电阻阻值大约为0.1Ω，电流要求不得高于1μA ，则需要一个100nV 的电压加在电阻两端。有很多的噪声可能淹没了这么小的信号，市电中带来的50HZ 的噪声信号可能比它的1000倍还要大，可能电路接头带要的压降就有100nV 。

故运用锁相放大器来进行测量。其测量原理如图1.1所示：使用正弦信号发生器产生一个峰值电压为1V 频率为W 的正弦信号作为参考信号，并通过一1M Ω的电阻使其提供1μA 的电流，将此信号作为激励。

图1.1 测量原理

将两个信号接入锁相放大器。1V 交流参考信号被使用告诉锁相放大器被测信号的准确频率，这个参考信号被接入其中的锁相环电路中，锁相环有两个输出：cos()r w t 和sin()r w t 。

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测试样本信号cos()s Vs w t φ+被加在高放大比的AC 差分放大器输入端。差分放大器的输出与锁相环输出量相乘后通过两个相位检测单元PSD1与PSD2。相乘使得输入信号的频率成分发生了改变，因此两个相位检测单元的输出为：

1cos()cos()

1/2cos[()]1/2cos[()]s r s s r s s r s Vpsd V w t w t V w w t V w w t φφφ=+=+++-+

2cos()cos()

1/2cos[()]1/2cos[()]

s r s s r s s r s Vpsd V w t w t V w w t V w w t φφφ=+=+++-+

其中r s w w +项被低通滤波器滤除，只剩下r s w w -项，然后通过直流运放。由于低通滤波器能有总计100S 的时间常数，锁相放大器能去除从参考信号中引入的大于0.0025HZ 噪声信号。

因为参考信号与被测信号同相，故PSD1的输出为最大相位而PSD2的输出为0，如果相位非零，1Vpsd 为cos()φ，2Vpsd 为sin()，则输出量为：

221/2{(1)(2)}~s R Vpsd Vpsd V =+

输出信号的相位为：1

tan (2/1)Vpsd Vpsd φ-=-

因此，相位锁相放大器能通过幅值测量，能够测量出被测信号与参考信号之间的未知相位。

[实验仪器]

锁相放大器；示波器；信号发生器；电阻；若干导线。

[实验步骤]

1． 连线

实验中使用函数信号发生器给阻值分别为1M Ω和被测串连电阻提供电压，然后把两电阻的分压分别作为参考信号和测量信号送入锁相放大器，其连