畢業(yè)設計---多檔光功率計設計

1、<p><b>　　多檔光功率計設計</b></p><p>　　學 院 （系）：物理與材料工程學院 </p><p>　　專 業(yè)：光電子技術科學 </p><p>　　學 生 姓 名： </p><p>　　學 號：

2、 </p><p>　　指 導 教 師： </p><p>　　完 成 日 期：2015年07月01日 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本次設計以通用運算放大器中的I-V轉換器和同相放大器為核心，通過多檔開關實現(xiàn)不同反饋電阻間的

3、切換，從而實現(xiàn)多檔光功率計的設計。</p><p>　　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計，該電路板中有六個電阻、兩個OP07芯片、硅光電池和若干導線等；再其次，利用萬用表調試電路板，直至調試無誤；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

4、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轉換電路的反饋電阻，改變光功率計的檔位，重復上一步驟，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，得出本次課程設計圓滿完成的結論。</p><p>　　關鍵詞：通用運算放大器、多檔開關、Altium Designer Summer 0

5、9</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　一、緒論1</b></p><p>　　1.1 設計背景1</p><p>　　1.2 設計任務1</p><p>　　1.3 基本理論知識1</p><p>　

6、　1.3.1 半導體三極管1</p><p>　　1.3.2 理想運算放大器2</p><p>　　1.3.3 同相放大器2</p><p>　　1.3.4 反相放大器3</p><p>　　1.3.5 I-V轉換器3</p><p>　　1.3.6 多檔開關4</p><p>　　

7、1.4 其他理論知識4</p><p>　　1.4.1 焊接4</p><p>　　1.4.2 Altium Designer Summer 095</p><p><b>　　二、設計方案5</b></p><p>　　2.1 功能設計5</p><p>　　2.2 原理圖設計5&l

8、t;/p><p>　　2.3 PCB設計6</p><p><b>　　三、硬件與設備7</b></p><p><b>　　3.1 PCB7</b></p><p>　　3.2 硅光電池7</p><p>　　3.2.1 結構分析7</p><p&

9、gt;　　3.2.2 工作原理8</p><p><b>　　3.3 鎢燈8</b></p><p><b>　　3.4 積分球8</b></p><p>　　3.5 OP07CP芯片9</p><p>　　3.6 其他工具9</p><p><b>　　

10、四、實驗過程10</b></p><p>　　4.1 實驗步驟10</p><p>　　4.2 注意事項10</p><p>　　4.3 完成情況11</p><p>　　五、數(shù)據(jù)記錄與分析11</p><p>　　5.1數(shù)據(jù)記錄11</p><p>　　5.2數(shù)據(jù)分析

11、12</p><p>　　5.2.1 理論放大系數(shù)12</p><p>　　5.2.2 靈敏度12</p><p>　　5.2.3 P-U曲線（標定曲線）12</p><p>　　5.2.4 模擬P-U表13</p><p>　　5.3誤差分析13</p><p>　　5.3.1放大系

12、數(shù)誤差分析13</p><p>　　5.3.2靈敏度誤差分析13</p><p><b>　　六、實驗總結14</b></p><p><b>　　七、參考文獻14</b></p><p><b>　　一、緒論</b></p><p><b

13、>　　1.1 設計背景</b></p><p>　　隨著教學的深入開展，本專業(yè)——光電子技術科學的學生有必要了解與掌握一些基本的實驗電路設計的技能，并能有相應的動手實驗能力。</p><p>　　本次課程設計以通用運算放大器中的I-V轉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。</p><p><b>　　1.2

14、 設計任務</b></p><p>　?。?）使用Altium Designer Summer 09軟件繪制電路原理圖與PCB；</p><p>　?。?）根據(jù)設計電路板的功能與結構，選取所需元件；</p><p>　?。?）使用電烙鐵，把各個元件正確地點焊在電路板上；</p><p>　?。?）使用萬用表調試焊接好的電路板，直至

15、無誤為止；</p><p>　?。?）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。</p><p>　　1.3 基本理論知識</p><p>　　完成該設計，需掌握以下基本理論知識。</p><p>　　1.3.1 半導體三極管</p><p>

16、　　圖1.1 半導體三極管</p><p>　　三極管由兩個PN結組成，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。</p><p>　　1.3.2 理想運算放大器</p><p>　　圖1.2 理想運算放大器</p><p>　　理想運算放大器的輸入電阻為無窮大，輸出電阻為無窮

17、?。ń茷榱悖妷悍糯蟊稊?shù)為無窮大等。在線性區(qū)工作時有以下特點：</p><p>　　輸入電流等于零，這種現(xiàn)象稱為“虛斷”；</p><p>　　差模輸入電壓等于零，這種現(xiàn)象稱為“虛短”；</p><p>　　2與3相互跟隨變化，且二者關系為（2）；</p><p>　　虛地：3接地，相當于2接地（虛地）等。</p><

18、p>　　1.3.3 同相放大器</p><p>　　圖1.3 同相放大器</p><p>　　同相放大器的電壓信號從同相輸入端輸入，采用電壓串聯(lián)負反饋結構，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：</p><p>　　因此，同相放大器的電壓增益為 。</p><p>　　1.3.4 反相放

19、大器</p><p>　　圖1.4 反相放大器</p><p>　　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)負反饋結構，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：</p><p>　　因此，反相放大器的電壓增益為 。</p><p>　　1.3.5 I-V轉換器</p><

20、;p>　　圖1.5 I-V轉換器</p><p>　　I-V轉換器是實現(xiàn)電流轉換為電壓的放大器。根據(jù)計算可得：</p><p>　　該電路組成的I-V轉換器避免了運放輸入失調電壓、偏入偏置電路和失調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，但對電阻和運放的精度要求較高。</p><p>　　1.3.6 多檔開關</p><p&

21、gt;<b>　　圖1.6 多檔開關</b></p><p>　　多檔開關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）表示電子接點導通，允許電流流過；開關的“開路”（open）表示電子接點不導通形成開路，不允許電流流過。</p><p>　　1.4 其他理論知識</p><p

22、><b>　　1.4.1 焊接</b></p><p>　　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。</p><p>　　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，所以在進行焊接時必須采

23、取適當?shù)姆雷o措施。</p><p>　　焊接通過下列三種途徑達成接合的目的：</p><p>　?。?）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；</p><p>　?。?）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）；</p><p>　?。?）在相當于或低于

24、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）。</p><p>　　本次課設使用第二種途徑進行焊接操作。</p><p>　　1.4.2 Altium Designer Summer 09</p><p>　　Altium 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Wi

25、ndows操作系統(tǒng)。Altium Designer的主要功能有：</p><p><b>　　原理圖設計</b></p><p><b>　　印刷電路板設計</b></p><p><b>　　FPGA的開發(fā)</b></p><p><b>　　嵌入式開發(fā)</b

26、></p><p><b>　　3D PCB設計</b></p><p>　　Altium Designer這套軟件通過把原理圖設計、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計輸出等技術的完美融合，為設計者提供了全新的設計解決方案，使設計者可以輕松進行設計，熟練使用這一軟件必將使電路設計的質量和效率大大提高。</p><

27、p><b>　　二、設計方案</b></p><p><b>　　2.1 功能設計</b></p><p>　　制作一個能夠實現(xiàn)以下功能的電路：</p><p>　　實現(xiàn)電流轉換為電壓與電壓放大；</p><p>　　實現(xiàn)切換反饋電阻的多檔光功率測量；</p><p>

28、　　實現(xiàn)電路安全穩(wěn)定,能夠測量與記錄實驗數(shù)據(jù)等。</p><p><b>　　2.2 原理圖設計</b></p><p>　　圖2.1 功能流程圖</p><p>　　圖2.1為本次設計的電路的功能流程圖，該電路需要實現(xiàn)從光源到光電轉換，光電轉換到IV轉換，IV轉換到電壓放大，電壓放大到功率轉換的功能。</p><p>

29、　　圖2.2 電路原理圖</p><p>　　根據(jù)電路的功能設計的要求，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，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：</p

30、><p>　　R1a=10K,R1b=100K,R1c=300K,R2=100R,R3=100K,R4=100K。</p><p><b>　　2.3 PCB設計</b></p><p>　　圖2.3 印制電路板圖 圖2.4 印制電路板圖（敷銅）</p><p>　　使用Altium Desi

31、gner Summer 09軟件進行PCB封裝設計，設計結果為</p><p>　　圖2.3和圖2.4所示。</p><p><b>　　三、硬件與設備</b></p><p>　　在本次課程設計中，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、萬用表和導線等硬件設備。</p><

32、;p><b>　　3.1 PCB</b></p><p>　　圖3.1-3.2 PCB</p><p><b>　　3.2 硅光電池</b></p><p>　　圖3.3 硅光電池結構示意圖</p><p>　　硅光電池（又稱太陽能電池）是一種直接把光能轉換成電能的半導體器件，其結構簡單，核心

33、部分是一個面積較大的PN結，并具有光生伏特效應，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。</p><p>　　在本次課程設計中，采用硅光電池作為多檔光功率計的探測器。</p><p>　　3.2.1 結構分析</p><p>　　硅光電池內部結構如圖3.3所示，

34、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結內產(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結上產(chǎn)生一個光生電動勢，這一現(xiàn)象稱為光生伏特效應。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。</p&

35、gt;<p>　　3.2.2 工作原理</p><p>　　硅光電池的工作原理是基于光生伏特效應。當半導體PN結處于零偏或反偏時，在它們的結合面耗盡區(qū)存在一內電場，當有光照時，入射光子將把處于價帶中的束縛電子激發(fā)到導帶，激發(fā)出的電子空穴對在內電場作用下分別漂移到N型區(qū)和P型區(qū)，當在PN結兩端加負載時就有一光生電流流過負載。流過PN結兩端的電流由下式確定：</p><p>　　

36、其中：Is(飽和電流);V(PN結兩端的電壓);T(絕對溫度);Ip(產(chǎn)生的光電流)</p><p>　　圖3.4 硅光電池的伏–安特性曲線</p><p>　　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。</p><p><b>　　3.3 鎢燈</b&

37、gt;</p><p>　　鎢燈，一種用于各種類型商場、酒店、店鋪、家居等裝飾設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。</p><p><b>　　3.4 積分球</b></p><p>　　圖3.5 積分球原理圖</p><p>　　積分球（Integrating sphere）是一個內壁涂有白

38、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表面的空心球體。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。積分球的內壁應是良好的球面，通常要求它相對于理想球面的偏差應不大于內徑的0.2%。球內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，將它和膠質粘合劑混合均勻后，噴涂在內壁上。氧化鎂涂層在可見光譜范圍內的光譜反射比都在99%以上，這樣，進入積分球的光經(jīng)過內壁涂層多次反

39、射，在內壁上形成均勻照度。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壁面積之比。</p><p>　　3.5 OP07CP芯片</p><p>　　圖3.6 OP07CP封裝圖</p><p>　　OP07是高精度低失調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。</p&g

40、t;<p><b>　　3.6 其他工具</b></p><p>　　圖3.7 電烙鐵 圖3.8 焊錫</p><p>　　圖3.9 偏口鉗 圖3.10 萬用表</p><p>　　電烙鐵，用于焊接元件及導線。</p><p>　　焊錫，是在焊接

41、線路中連接電子元器件的重要工業(yè)原材料，廣泛應用于電子工業(yè)、家電制造業(yè)、汽車制造業(yè)、維修業(yè)和日常生活中。</p><p>　　偏口鉗，電工常用工具之一，又稱為“斜口鉗”，主要用于剪切導線，元器件多余的引線。</p><p>　　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、電感量及半導體的一些參數(shù)等。&

42、lt;/p><p><b>　　四、實驗過程</b></p><p><b>　　4.1 實驗步驟</b></p><p>　?。?）提前使用Altium Designer Summer 09軟件繪制電路原理圖與PCB；</p><p>　?。?）兩人一組，找齊所需設備與元件；</p>&

43、lt;p>　?。?）使用電烙鐵把各個元件焊接到電路板上；</p><p>　?。?）在電路板管座上安裝OP07CP芯片，使用萬用表調試電路板；</p><p>　?。?）在調試無誤后，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)； </p><p>　?。?

44、）切換I-V轉換電路的反饋電阻，改變光功率計的檔位，重復上一步驟，記錄數(shù)據(jù)；</p><p>　?。?）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。</p><p><b>　　4.2 注意事項</b></p><p>　　安全第一，正確使用設備，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。</

45、p><p><b>　　4.3 完成情況</b></p><p>　　圖4.1 焊接后的PCB 圖4.2 多檔反饋電阻</p><p>　　圖4.3 硅光電池電路 圖4.4 整體電路</p><p>　　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100

46、R、100K和100K）和若干導線等，該電路板構成I-V轉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計的多檔反饋電阻。</p><p><b>　　五、數(shù)據(jù)記錄與分析</b></p><p><b>　　5.1數(shù)據(jù)記錄</b>&l

47、t;/p><p>　　表5.1 多檔光功率計設計實驗數(shù)據(jù)表</p><p>　　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。</p><p><b>　　5.2數(shù)據(jù)分析</b></p><p>　　下

48、面結合設計的電路，計算與分析測得的數(shù)據(jù)。</p><p>　　5.2.1 理論放大系數(shù)</p><p>　　放大系數(shù)A理=1+R4/R3=1+100K/100K=2。</p><p><b>　　5.2.2 靈敏度</b></p><p>　　對所得數(shù)據(jù)進行計算處理，得到光功率計各檔位的P-U關系式分別為，</p&

49、gt;<p>　　10K反饋電阻：y = 0.4011x - 0.0067[1]</p><p>　　100K反饋電阻：y = 4.0067x - 0.0158[2]</p><p>　　300K反饋電阻：y = 11.974x + 0.1055[3]</p><p>　　靈敏度（Sensitivity）是衡量物理儀器的一個標志

50、，由[1][2][3]式可得，光功率計各檔位的靈敏度ρ分別為：</p><p>　　10K反饋電阻：0.4011；100K反饋電阻：4.0067；300K反饋電阻：11.974</p><p>　　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，以匹配相應的靈敏度尤為重要。</p><p>　　5.2.3 P-U曲線（

51、標定曲線）</p><p>　　圖5.1 輸入光功率與輸出電壓（P-U）曲線</p><p>　　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）關系在光功率為0-5W的范圍內，具有良好的線性關系。</p><p>　　5.2.4 模擬P-U表</p>&l

52、t;p>　　圖5.2 輸入光功率與輸出電壓（P-U）標定表盤</p><p>　　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，使用該表盤能夠實現(xiàn)把所測的光功率值換算為對應的電壓值的讀數(shù)功能。</p><p><b>　　5.3誤差分析</b></p><p>　　5.3.1放大系數(shù)誤差分析</p&g

53、t;<p>　　分析所得數(shù)據(jù)，計算出同相比例放大電路的實際放大系數(shù)A實=2.0109，則絕對誤差為，</p><p>　　由計算結果可知，放大系數(shù)的絕對誤差很?。?.55%），實際放大系數(shù)與理論放大系數(shù)比值接近1。因此，該結果較為精確，與理論相符程度高。</p><p>　　5.3.2靈敏度誤差分析</p><p>　　10K反饋電阻：ρ實=0.401

54、1，ρ理=0.4，絕對誤差為，</p><p>　　100K反饋電阻：ρ實=4.0067，ρ理=4，絕對誤差為，</p><p>　　300K反饋電阻：ρ實=11.974，ρ理=12，絕對誤差為，</p><p>　　由計算結果可知，靈敏度的絕對誤差很小，分為0.28%（10K）、0.17%（100K）和0.22%（300K），實際靈敏度與理論靈敏度的比值都接近1。

55、因此，該結果較為精確，與理論相符程度高。</p><p><b>　　六、實驗總結</b></p><p>　　在本次課程設計中，我學習了硅光電池的基本結構與工作原理、積分球原理、光功率計多檔功能的實現(xiàn)原理等，并鞏固了關于數(shù)電、模電、電路原理的基礎知識，運用這些知識動手操作，完成了設計電路板、使用電烙鐵焊接電路板、調試電路、記錄數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)和標定多檔光功率計等工作，

56、最終完成了能夠實現(xiàn)I-V轉換和同相放大電壓的多檔光功率計電路的設計。</p><p>　　通過本次課程設計的鍛煉，我能夠熟練地使用Altium Designer Summer 09軟件繪制電路原理圖與PCB板圖，對I-V轉換器、同相放大器等通用運算放大電路、硅光電池和實現(xiàn)多檔切換等的原理有了更深層次的認識與掌握；對實驗過程中收集的數(shù)據(jù)進行分析，得到多檔光功率計的標定曲線（P-U曲線），各檔位的靈敏度，并繪制了模擬

57、的標定表盤，驗證了硅光電池的特性和該電路的功能，收獲頗多。</p><p><b>　　七、參考文獻</b></p><p>　　[1] 康華光，《電子技術基礎：模擬部分》（第5版），高等教育出版社，2008.1.1。</p><p>　　[2] 康華光，《電子技術基礎：模擬部分》（第5版）筆記和課后習題（含考研真題詳解），中國石化出版社，20

58、13。</p><p>　　[3] 朱定華，蔡紅娟，蔡苗，《模擬電子技術》，清華大學出版社，2013.2.1。</p><p>　　[4] 謝龍漢，魯力，張桂東，《Altium Designer原理圖與PCB設計及仿真》，電子工業(yè)出版社，2012.1.1。</p><p>　　[5] 丁鎮(zhèn)生，《電子電路設計與應用手冊》，電子工業(yè)出版社，2013.6.1。</p