光线强弱测量显示电路的设计

u V, uc () Vcc 5V 2 1 (10kΩ 10kΩ) 1μF 0.02s uc (0 ) u uc (t ) 5+ 5 e 0.02 V 2 又 uc (t1 ) uV t1 0.02 ln(0.5 2.5 )s u 5
260lux 到 8000lux,对应的输出电压为 1V 到 4V， 列表给出显示的电压值与光照度
的对应关系； 2） 设计一个输入光强分档显示电路，当光照度从 260lux 到 8000lux 变化范围内， 分 4 档（参考表 1 的分档：2、3、4、5） ，用发光二极管显示对应光照度的范围并 列表表示他们的关系。 2. 提高要求 1） 设计一个矩形波发生器， 要求其输出波形的高电平脉冲宽度随控制电压的变化而变 化，控制电压就是在基本部分已经设计完成的随输入光强变化的输出电压值 （1V~4V） ； 2） 利用固定时钟信号， 对上述可变的输出矩形波的高电平脉冲宽度进行计数， 并用数 码管显示所计数值。列表给出显示的数值和光强的对应关系。 3. 发挥要求 1）利用数字系统综合设计中 FPGA 构建 AD 采集模块，实现光强的测量并显示。 分析项目的功能与性能指标： 要求 分块 第一部分 基础 第二部分 第一部分 提高 第二部分
表三 仿真光强分档显示电路
0.988-1.070 1.401-1.493 2.688-2.951 3.667-3.990
分档 1 2 3 4
光照度（lux）
照在光敏电阻后阻值（Ω）
分档的电压值 （V） LED 亮 （盏）
260-310 520-680 2900-3500 6800-8000
800-871(电位器实际调至 870) 560-600 260-290 (电位器实际调至 180)182-200
0.988-1.070 1.401-1.493 2.688-2.951 3.667-3.990
1 2 3 4
提高部分：
图中黄色波形为 CH1，是电容两端的电 压；蓝色波形为 CH2，是输出的矩形波。 从图中得，当输入电压为 1V 时，产生的 矩形波的正脉宽为 2.32ms，与上文计算 出的理论值 2.35ms 相比，相对误差约为 0.5%，在误差允许的范围内相等。
4k x x 182 5 列出二元一次方程组 x k x 871 5
解得
x 48 k 0.26
元器件选择： 故， R1 选用 48Ω， 反相比例放大电路的反相输入端电阻选用 2.6kΩ， 反馈电阻选用 10kΩ。
基础第二部分
图六 基础第二部分电路图 各单元电路结构： 上半部分为基础一的 1V-4V 电压变化电路，将基础一的输出电压与三个参考电压（由 电阻分压产生）用比较器进行比较，形成四个档位，输出到 LED 指示灯。 工作原理： 欧姆定律，集成电压比较器 LM311 的单电源工作方式[1]。 参数计算：
数字电路模块的时钟端输出时钟信号为 1kHz，10Vpp，占空比为 50%的方波
图十一 时钟信号参数
图十二 1V 输入电压仿真 右侧的数码管为高位， 右侧为低位， 故仿真结果为 02， 与上文计算出的理论值 2.35ms 相比， 忽略精度的差异，在误差允许的范围内相符。
图十三 4V 输入电压仿真 右侧的数码管为高位，右侧为低位，故仿真结果为 21，与上文计算出的理论值 21.97ms 相 比，忽略精度的差异，在误差允许的范围内相符。
图一 基础第一部分电路结构框图
图二 基础第二部分电路结构框图
图三 提高第一部分电路结构框图
图四 提高第二部分电路结构框图
(3) 电路原理图（各单元电路结构、工作原理、参数计算和元器件选择说明） ： 基础第一部分
图五 基础第一部分电路图 各单元电路结构： 最左侧为电阻分压电路，中间一个运放是反相比例放大电路，最右侧的运放为反相器。 工作原理： 欧姆定律，运放的线性应用。 参数计算： 将光敏电阻阻值随光照度的变化在一个档内看成线性的，可求得，当光照度为 260lux 时，光敏电阻约为 871Ω；当光照度为 8000lux 时，光敏电阻约为 182Ω。 设与光敏电阻分压的电阻阻值为 xΩ， 所分得的电压乘上系数 k 后可在 1V-4V 范围变化。
三、硬件电路功能与指标，测试数据与误差分析
(1) 硬件实物图（照片形式） ：
提高二
提高一
基础一
基础二
光敏电阻
图十四 电路实物图 (2) 制定实验测量方案： 由于光照度难以控制， 且光敏电阻在不同光照下的阻值不可轻易测量出来， 故选用一个 1kΩ 电位器来替代光敏电阻进行测量。 基础一：调节电位器，使输出电压从 1V-4V 变化。当调整至仿真出的每一档的节点电 压时，断电，取出电位器，并测量此时电位器的阻值，记录数据（具体数据详见测试结果中 的表四）。 基础二：观察电压值处于不同档位时，LED 灯所亮的盏数。 提高一：用示波器观察 555 输出的矩形波，并调节电位器，观察波形正频宽的变化。 提高二：观察对比数码管显示的数值与示波器上矩形波正频宽的数值 (3) 使用的主要仪器和仪表： ① 实验箱上的电源部分、电压表、LED 灯 4 盏、数码管 2 个； ② 直流稳压电源； ③ 双踪示波器； ④ 万用表。 (4) 调试电路的方法和技巧： ① 全部连线接好后，在上电前，需完全检查一遍：芯片是否选择正确，方向是否 插对，引脚有无弯折、互碰情况，输入端有无悬空等等； ② 检查是否全部共地：实验箱、稳压电源、面包板、示波器、万用表等等； ③ 若工作状态有故障，可从输入端开始，按信号流程依次逐级向后检查，也可从 故障输出端向输入方向逐级向前检查，直到找到故障点； ④ 本实验的提高第二部分为时序电路，由于数码管状态刷新过快，可能用肉眼观 察到的现象为数码管常亮，并不能说显示的数字即为“8” ，调试过程中，可降
功能
输出电压随光强的变化而变化 点亮的发光二极管个数 随光强的增大而增多 正脉宽可随控制电压的变化而变化 的矩形波发生器 对上一部分实现的矩形波的正脉宽 进行计数，并显示在数码管上
性能指标 随光照度的增大，光敏电阻的阻 值减小，输出电压从 1V-4V 增大 光强由小到大分为 4 档， 分别点亮 1,2,3,4 盏 LED 灯 正脉宽随控制电压的增大而变宽 选用 1kHz 的时钟信号， 数码管上显示的就是矩形波 正脉宽的数值，单位为 ms。
东南大学电工电子实验中心
实 验 报 告
课程名称：
wenku.baidu.com
模拟电子电路实验
第 2 次实验
实验名称： 院 （系） ： 姓 名：
光线强弱测量显示电路的设计 吴健雄学院 专 张馨月 学 业： 号： 电强化班 61012102
实 验 室: 金智楼南楼 101 实验组别： 同组人员： 评定成绩： 实验时间：2014 年 4 月 17 日 审阅教师：
二、电路设计（预习要求）
(1) 电路设计思想（请将基本要求、提高要求、创新要求分别表述） ： 基础第一部分： 用电阻分压电路实现电压随光强（光敏电阻的阻值）的变化而变化，再用反相比例 放大电路将上述分压调节至 1V-4V，最后用反相器接出。 基础第二部分： 将第一部分已实现的 1V-4V 的输出电压和事先设计好的参考电压用三个比较器分 别进行比较，输出到 LED 灯。 提高第一部分： 将基础部分所完成的 1V-4V 的输出电压变化电路接入矩形波产生电路，用变化的 输出电压改变其比较电压。 提高第二部分： 采用 161 并行输入计数，设计一个模 100 计数器，将矩形波信号接入 CLR 端，控 制计数和清零功能：当输入矩形波信号为高电平时，计数；为低电平时，清零。 再用两片 161 实现寄存功能，将两片计数所用的 161 输出端接入寄存所用的 161 输入端，寄存所用 161 的 ENP, ENT 和\LOAD 端全部接地：当时钟处于上升沿时，置 数；否则，保持。将矩形波信号反相后接入寄存所用 161 的时钟端：当处于输入矩形波 信号下降沿时，161 置数；其余时间，161 都处于保持状态。 (2) 电路结构框图（请将基本要求、提高要求、创新要求分别画出） ：
根据基础一中仿真出的输出电压分档（见下文仿真结果中表二），将参考电压分别设为 1.2V, 2V, 3V。 元器件选择： 5V 分压，分别选取 12 kΩ 和 36 kΩ 加 2 kΩ，20 kΩ 和 30 kΩ，30 kΩ 和 20 kΩ。 提高第一部分
图七 提高第一部分电路图 各单元电路结构： 左侧部分为基础一的 1V-4V 电压变化电路， 右侧为 555 定时器构成的矩形波产生电路。 工作原理： 555 比较器的第五脚控制端 CONT 可加上电压， 人为改变其比较电压， 比较电压改变后， 充放电时间也会发生变化[2]。 参数计算： 设第五脚输入电压为 uV 充电过程：
光线强弱测量显示电路的设计
一、实验内容及要求
利用光敏电阻及运算放大器等器件， 设计一个光线强弱测量电路， 要求电路能自动测量 光线的强弱值，并按设计要求的方式显示测量值。电路应实现的功能与技术指标如下： 1. 基本要求 1） 研究光敏电阻性能， 设计一个放大电路， 要求输出电压能随光线的强弱变化而变化。 根据给定的光强变化范围，用万用表显示输出电压值。要求：参照表 1，光照度从
(4) 列出系统需要的元器件清单（请设计表格列出，提高要求、创新要求多用到的器件 请注明） ： 表一 元器件清单 器件名称 数量 光敏电阻 5516 1 1 1 1 1 3 2 1 1 3 1 2 2 1 2 3 2 1 1 4 1 1
基 础 部 分
提 高 部 分
1kΩ 电位器 1Ω 电阻 47Ω 电阻 200Ω 电阻 330Ω 电阻 2kΩ 电阻 2.4kΩ 电阻 4.7kΩ 电阻 10kΩ 电阻 12kΩ 电阻 20kΩ 电阻 30kΩ 电阻 36kΩ 电阻 UA741 LM311 10kΩ 电阻 1μF 电容 NE555 74HC161 74HC00 74HC20
(5) 电路的仿真结果（请将基本要求、提高要求、创新要求中的仿真结果分别列出） ： 基础部分： 表二 仿真显示的电压值与光照度的对应关系 分档 1 2 3 4 光照度（lux） 照在光敏电阻后阻值（Ω） 显示的电压值（V）
260-310 520-680 2900-3500 6800-8000
800-871(电位器实际调至 870) 560-600 260-290 (电位器实际调至 180)182-200
t
故，当输入电压从 1V-4V 变化时，正脉宽大约为 2.35ms-21.97ms。 元器件选择： 应选取较大的电阻或电容，使正脉宽达到 ms 量级，这一点在最后的总结中还会谈到。
提高第二部分
图八 提高第二部分电路图 各单元电路结构： 上半部分为提高一的脉宽可调的矩形波产生电路，下半部分为数字计数电路。 工作原理： 两片 161 并行输入，构成模 100 计数器，将矩形波信号接入计数所用 161 的 CLR 端， 控制计数和清零功能：当输入矩形波信号为高电平时，计数；为低电平时，清零。 再用两片 161 实现寄存功能， 将两片计数所用的 161 输出端接入寄存所用的 161 输入端， 寄存所用 161 的 ENP, ENT 和\LOAD 端全部接地：当时钟处于上升沿时，置数；否则， 保持。 将矩形波信号反相后接入寄存所用 161 的时钟端： 当处于输入矩形波信号下降沿 [3] 时，161 置数；其余时间，161 都处于保持状态。 将寄存所用 161 的输出端接数码管。 参数计算： 由于时钟信号为 1kHz，10Vpp，占空比为 50%的方波，故数码管显示的数值即为正脉宽 数值，单位为 ms。 元器件选择： 计数、寄存各用两片 161，还需用到一些与非门，详见下面表一 元器件清单。
图九 1V 输入电压仿真波形图
图中黄色波形为 CH1，是电容两端的电 压；蓝色波形为 CH2，是输出的矩形波。 从图中得，当输入电压为 1V 时，产生的 矩形波的正脉宽为 21.7ms，与上文计算 出的理论值 21.97ms 相比， 相对误差约为 0.8%，在误差允许的范围内相等。
图十 4V 输入电压仿真波形图