光电探测器设计报告

光电探测器设计报告
设计人:
摘要：本报告主要叙述本小组设计的基于光电效应的、可用于探测入射光频率的光电探测器的设计原理、设计过程和所期望实现的功能, 以及对此设计产品性能的估计。

一、设计原理
比电效应是我们从中学就开始接触并且学习的知识，原理十分简单，但却有巨人的用处。

因此，我们选择这个我们熟知的知识作为基本原理，在它的基础上完成我们所设想的功能。

1.光电效应及其规律
由于我们对光电效应己经有了较为深入的了解，所以对其发现历史不再赘述，这里只叙述一下基本的4条规律。

/I 1可變電源
(1) 每一种金属在产生光电效应时都存在一个极限频率(或称截ll:频率)，即照射光的频率不能低于某一临界值。

相应的波长被称作极限波长(或称红限波长)。

当入射光的频率低于极限频率时，无论多强的光都无法使电子逸出。

(2) 光电效应中产生的光电子的速度和动能与光的频率有关，而与光强无关。

反应初动能的是截止电压即初动能为
1 ,
Ehn = =叫
（3）光电效应的瞬时性。

实验发现.即儿乎在照到金属时立即产生光电流。

响应时间不超过lnso
（4）入射光的强度只影响光电流的强弱，即只影响在单位时间单位面枳内逸出的光电子数冃。

在光颜色不变的情况2入射光越强，饱和电流越人，即一定颜色的光，入射光越强, 一定时间内发射的电子数目越多。

2.爱因斯坦光电效应方程
光子能量E = hv・逸出功为W,则由能量守恒町以得到
hv = - mVm + W
乙
实验中
eU a = = hv — W
乙
整理公式即可得到
W e
v = T + h Ua
这就是我们想要探测的入射光频率。

二、设计思路
在我们做过许多次的实验电路图中，只要调节町变电源，使得电流表示数为零（即光电流为零），电压表所测得的电压就是我们需要的截止电压了。

但是，电源的调节是于•动的，我们希望自己的产品是自动测量的。

因此，我们可以将町变的直流电源变成-个交变电源，总有一个瞬间的电压可以使光电流为零，这时的电压就是我们所需要的截止电压。

只需要添加某种电路，使其能够识别光电流为零并且及时做出反应, 触发其他的某些电路或若元件，使其及时记录并且显示截止电压和利用公式计算出的入射光频率即可。

三、设计过程和产品结构
1.总体构想
依据我们的设计思路，我们还需要使用数字电路课程和模拟电路课程中学过的知识。

（1）基本光电效应电路。

包含光电符和交变电压源。

（2）施密特触发器电路。

由于施密特触发器町以对正弦波做出整形和转换，町以用來检测比电流并且做出反应触发其他电路。

（3）模数转换器。

把截止电压的模拟信号转换成数字信号。

（4）模拟运算器。

用來将截止电压转换成频率。

（5）译码、显示电路。

用來显示截止电压和入射比频率给使用者。

（6）复位、清零按钮。

发出清零脉冲使电路复位。

以F是我们此次设计产品的原理图:
///
2.基本光电效应电路
这是整个产甜设计的核心所在，它由光电管、交变电圧源、电阻和直流迫压源组成。

其中光电管是核心元件，其中产生光电效应的材料需要有较小的逸出功。

逸出功越小, M以探测的光频率范鬧就越宽。

一般金属的逸出功典型值都在4. 5eV左右，逸出功故小的是絶元素，只有2. 3eV。

但是现在己经出现了有更小逸出功的化合物，例如:Ag-0-Cs和Sb-Cs, 只有1.5eV的逸出功，祺至还有更小逸出功的化合物也已经被制备出来了。

交变电源是为了实现光电流为零的条件所特殊设计的。

而施密特触发器所需要的电压波形必须大于0,这就需要增加一个电阻和直流电源，用来抬高电压。

3.施密特触发电路
在数字电路中，一般的比较稳定的触发条件是方波的上升沿或者卞降沿。

因此我们町以选择将正弦波整形为方波信号。

而施密特触发器能把变化缓慢的波形变换成矩形脉冲。

输入电压上升的翻转电平为上限阀值电平眄+；输入电压下降的翻转电平为下限阀值电平听，两者的值不同，且U”〉U T-它们的差值称为回差电压。

施密特电路在状态转换速度极快输出的矩形波的前后沿总是很陡悄。

利用这一特点，施密特电路可以把变化比较缓慢的正弦波、三角波等变换成矩形脉冲信
号。

如卜•图:
555定时器是一种中规模集成电路，目前在仪器、仪表和自动化控制装置中应用很广。

它可组成定时、延时和脉冲调制等各种电路。

而通过555定时器所组成施密特触发器，反转电压^u T+ = lv DD
由此可以看出用555定时器构成的施密特触发器翻转电压和外界所加电压成严格的比例关系，更易控制。

由于V DD>Q.而我们需要的是在输出电压为零时触发，因此可以利用-个反向加法器将S抬高£ V DD.
3
由555定时器组成的施密特触发电路如卜
+?cc
1
4.模拟运算电路
使图中勺与心的比值等于*,可表示出v =半然后在另一输入端输入幅值为-卡的电压, 并= R fr,得出U0 = -^-U t再在之后加一反向比例放人器，是比例为1:1,仅足电斥反向，于是得到S)2 =晋，即我们所要的光的频率。

为然实验中的这些电阻都不会是如理论值那么完美，所以实际上可以将将心，尺2都换成滑动变阻器，其滑动旋钮可调节使与与心的比值等于》R2 = Rf。

除此之外，运放计算的数值是理想状态卜的计算出来的，是^A od.K CMR和％认为是无限人的,0 ,1］。

,％和心认为是为零的但实际上这是不可能的，这是第二处误差来源。

运放还存在町能的偏置和失调的问题。

5.模数转换器ADC
我们需要两种模数转换器，一种用来II接转换截止电压的信号，町以用双积分型ADC, 另一种在模拟运算电路之后进行转换，可以用逐次渐进型ADC。

双枳分型ADC是一种电斥时间变换型ADC,原理是把被测电压均先转换成与之成正比的时何间隔At，然后利用计数器在At内对一己知频率丘的脉冲进行计数，从而把被测电压转换为与之成正比的数字量。

这种ADC精度很高，经常被用来做数字仪表，并Ji集成产品的外接电路非常简单。

缺点是速度慢，但是这正好町以和频率的显示路线相匹配，因为另一条线路上电路、元件较多, 本来就拖慢了速度。

逐次渐进型ADC的工作过程与用天平称物体重承的过程非常类似，它由数据寄存器、AC、电压比较器以及相应的控制电路组成。

这种ADC的电路结构较为简单.转换速度也足够高，而JL冃前有人最这种ADC的功能齐全、性能好的集成产品可以直接使用。

6.译码、显示电路
我们设计的电路有2个显示电路，分别显示极限电压和光的频率。

该电路是将上一级的输出信号输入到4个进制相连74290十进制计数器构成的4位十进制计数器，每个计数器接一74173的四D锁存器，再由锁存器将信号输到7447的BCD七段译码器，址后通过译码器在七段数码管中显示出来。

整个电路通过施密特触发器控制显示。

555
> 74290 ------ > 74290 ------- > 74290 >74290
74173 ------- > 74173 ------ > 74173 ------- >74173
7447 7447 7447 7447
该电路的缺点在于74290的工作频率比较低，因为是以串行进位的方式连接的，所以要经过各级触发器传输延迟时间Z后以后才能稳定建立新状态。

除此外，译码时存在竞争一冒险现象。

7.复位、清零按钮
由于数字电路的器件中设计有清零端，因此只需要连接这些端门，并H给予清零脉冲即可实现复位功能。

四、设计评估
由于我们这次产品设计仅仅给出了设计原理和产品结构，并没右制作岀完整的产品进行调试，因此无法给出只体的、定屋的误差分析，现在仅给出定性的产品误差分析：
1. 使用的数字电路和模拟电路器件都有时间上的误差，主要表现为器件的建立时间、转换时间、采样时间和延迟时间会对时刻变化的光电流的测屋、计算和显示产生谋差；
2. 使用的数字电路和模拟电路器件包含量化误差、偏移误差、增益谋差等数量上的误差, 即器件的楷度是付限的；
3. 没有办法避免电路中必然产生的电阻、电容、电感效应产生的噪声，而且这些问题町能
对整个电路造成损害；
4. 其它的一些问题，诸如：外界的电磁干扰对整个电路的影响、光电效应材料的性能影响光电流和光频率之间的关系等等。

五、总结感悟
这次光电子产品设计，我们用我们已经学过的知识完成了一次从未有过的产品设计经历。

爭实证明，我们完全有能力完成一些工作，而并非像我们想象的那样，以为我们的知识和技能远远不足以承担工作任务。

只要我们学会思考、敢于实践，就町以发挥自己的才能，很好地完成任何工作。

而这次的产品设计经历也充分让我们体会到团队的力量，通过一起査资料、学习、讨论，不断地发现问题并解决问题。

人家集思广益，脑中不断闪现的尺感和思维碰撞而产生的火花也让我们每个人激动不已。

在当今社会，一个人或许有着无与伦比的才能，但离开团队的支持，总是难成大器。