光电技术实验

实验一、光电报警设计实验

一、实验目的

1、了解红外砷化镓发光二极管与光电二极管的具体应用。

2、练习自拟简单的光电系统试验。

3、了解主动式光电报警系统设计原理。

4、了解锁相环的原理及应用。

5、对影响光电探测性能的各种参数进行探讨，以求最大限度地发挥系统的探测能力。

二、实验内容

1、锁相环原理及应用测试实验

2、利用锁相环设计光电报警系统实验

3、设计性实验

三、实验仪器

1、光电创新实验仪主机箱

2、光电报警实验模块

3、连接线

4、示波器

四、实验原理

光电报警系统是一种重要的监视系统，目前其种类已经日益增多。有对飞机、导弹等军事目标入侵进行的报警系统，也有对机场、重要设施或危禁区域防范进行报警的系统。一般说来，被动报警系统的保密性好，但是设备比较复杂；而主动报警系统可以利用特定的调制编码规律，达到一定的保密效果，设备比较简单。

本系统调制电源提供红外发射二极管确定规律变化的调制电流，使发光管发出红外调制光。光电二极管接收调制光，转换后的信号经放大，整形，解调后控制报警器。

（1）用NE555定时器构成多谐振荡器作调制电源。

NE555定时器构成多谐振荡器

NE555集成电路用它构成占空比为50%的多谐振荡器原理图如上图所示。下面对照电路图简述其工作原理及参数选择。

在前半周期，V1通过R2、D 对C1充电，由于二极管D 的作用，电流不经过R1，因此其充电时间T1为：

2ln 3

231ln 12121C R V V V V C R T cc

cc cc

cc =--= 而在后半周期，电容放电时，二极管反向电阻无穷大，555内部的三极导通，电流通过R1至7脚直接放电，此时其放电时间T2为：

2ln 3

231ln 11112C R V V V V C R T cc

cc cc

cc =--= 当A 点电压上升到上限阈值电压（约CC V 3

2）时，定时器输出翻转成低电平。这时，A

点电压将随1C 放电而按指数规律下降。当A 点下降到下限阈值电压（约C V 32）时，定时器输出又变成高电平，调整1R 、2R 的电阻值得到严格的方波输出。当R1=R2时，输出为方波信号。其输出频率为：

2

ln 21

11121C R T T f =+=

参考值：1216.56.5C K R K R ，，Ω=Ω==0.1µF ，

()Z KH C R f 3.1244

.111≈≈ 。

用NE555组成振荡器来作红外发光管BT401时，由于红外发光管BT401的工作电流在30mA 以上，因此一定加一个三极管驱动电路。使输出电流大于或等于红外发光管的最小工作电流F I 。其驱动电路的参考电路图如下图：

（2）信号放大电路原理

电路如图所示，由运算放大器OP07构成放大电路，将光敏二极管所接收的电流信号放大，放大增益通过调节R3阻值改变。

红

外发射二极管

红外发光二极管驱动电路

V

-V

+3532

1

LF +

-

48

1

2C 1

D 45R 8

R LED

6

5

7

9

R +5V

W1

检波

判决报警

（3）锁相环原理

下图为锁相环电路原理图。LM567是一片锁相环电路，采用8脚双列直插塑封。其⑤、⑥脚外接的电阻和电容决定了内部压控振荡器的中心频率f2，f2≈1/1.1RC 。其①、②脚通常分别通过一电容器接地，形成输出滤波网络和环路单级低通滤波网络。②脚所接电容决定锁相环路的捕捉带宽：电容值越大，环路带宽越窄。①脚所接电容的容量应至少是②脚电容的2倍。③脚是输入端，要求输入信号≥25mV 。⑧脚是逻辑输出端，其内部是一个集电极开路的三极管，允许最大灌电流为100mA 。LM567的工作电压为4.75～9V ，工作频率从直流到500kHz ，静态工作电流约8mA 。LM567的内部电路及详细工作过程非常复杂，这里仅将其基本功能概述如下：当LM567的③脚输入幅度≥25mV 、频率在其带宽内的信号时，⑧脚由高电平变成低电平，②脚输出经频率/电压变换的调制信号；如果在器件的②脚输入音频信号，则在⑤脚输出受②脚输入调制信号调制的调频方波信号。在图4的电路中我们仅利用了LM567接收到相同频率的载波信号后⑧脚电压由高变低这一特性，来形成对控制对象的控制。

锁相环电路

五、注意事项

1、不得扳动面板上面元器件，以免造成电路损坏，导致实验仪不能正常工作。

2、金色测试钩说明：Ft 为调制频率测试点、Ff 为光电二极管输出放大信号测试点，Fy 为整形后信号测试点、FC 为锁相环中心频率测试点、GND 为系统接地点。

六、实验步骤

1、红外发射二极管“L+” “L-”对应接入电路中发射部分“L+” “L-”；光电二极管“P+”

图5 报警用参考电路

“P-”对应接入电路中接收部分“P-” “P+”。

2、打开电源，示波器观测Ft 点波形，调节调制频率调节旋钮，使波形输出为1比1方波。

3、示波器观测Ff 点波形，调节增益调节使波形最好。

4、示波器观测Fy 点波形，调节阈值调节旋钮，使输出方波波形最好，并记录频率。

5、示波器观测Fc 点波形，调节中心频率调节旋钮使波形频率与Fy 波形频率相等。

6、用手遮挡光路，观测LED 发光二极管指示状况。

七、设计性实验

1、红外调制发射电路原理图如下

4

2、放大电路如下，调节RP3可以改变放大电路增益，T12 T13为光电二极管输入端。

3、整形电路如下，调节RP4可以改变阈值电压大小。

4

4、锁相环电路图如下，改变W4可以改变中心频率。