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1、学习必备 欢迎下载 一.课程设计目的：1 学会用振荡电路设计发光管调制电源的方法；2 了解微弱信号放大电路的设计思路；3 熟悉集成运算放大器的各类性能参数；4 了解带通滤波器从噪声中检出弱信号的方法；5 学会多重反馈有源带通滤波器的设计步骤和参数计算；6 练习如何进行光电信号检测系统的联调试验；7 学会利用各种资源查找相关器件的参数特性 二.课程设计内容 1 发光二极管调制电源设计 A.利用 NE555 为 HG412A 砷化镓发光二极管设计一个调制电源。B.要求电源调制频率在最小可调范围为 3KHz7KHz，输出波形占空比 50。且发光二级管的输出功率可以调节。C.画出电路图，简要说明工作原
2、理。D.实际调试所设计的电路，并总结调试过程中应注意的细节问题。2 光电微弱信号放大电路设计 A.应用低噪声集成运放 LF353 的 A Part 设计一微弱信号放大电路，用于 2CU2D 型光电二极管输出的微弱电流信号前置放大。B.放大倍数 10002000 可调，且输出要求除去 1/f 低频噪声。C.简要说明设计原理。3 多重反馈有源带通滤波器设计 A.结合前置放大器，利用运放 uA741 设计一个二阶有源低通滤波器对学习必备 欢迎下载 放大电路输出的信号进行滤波。B.滤波器要求品质因素 Q 为 10，中心频率 f0为 5KHz，中频增益 H 为5。C.给出滤波器设计参数的详细计算过程；D
3、.要求利用其中一个可调电阻调整中心频率 f0，其余元件参数固定。4 光电报警电路设计 A.在已经设计出的 HG412A 砷化镓发光二极管光源和微弱信号放大器和带通滤波器滤波器的基础上，利用集成运放 LF353 的 B Part 和普通红色发光二极管，设计一个光电报警电路。B.要求当电路未接受到 5KHz 光脉冲时点亮红色发光二极管，正常接收 5KHz 光脉冲时发光二极管不点亮。C.简要说明设计原理。三.基本原理 1发光二极管调制电源 用 555 定时器构成多谐振荡器电路如图 1 所示。电路没有稳态,只有两个暂稳态，也不需要外加触发信号，利用输出端 OUT 的高电平通过可变电阻 R1向电容器 C
4、1充电，使 UC1逐渐升高，升到 2VCC/3 时，输出端 OUT 跳变到低电平，电容器 C1通过电阻 R1向输出端 OUT 放电，使 UC1下降，降到 VCC/3 时，输出端 OUT 跳变到高电平，输出端 OUT 又通过 R1向电容器 C1充电。如此循环，振荡不停，电容器 C1 在 VCC/3 和 2VCC/3 之间充电和放电，输出端 OUT 输出连续的矩形脉冲。由于充放电通道相同，所以输出的波形占空比为 50。计步骤和参数计算练习如何进行光电信号检测系统的联调试验学会利用出波形占空比且发光二级管的输出功率可以调节画出电路图要说明工作输出的微弱电流信号前置放大放大倍数可调且输出要求除去低频噪
5、声要学习必备 欢迎下载 VCC12VU1LM555CNGND1DIS7OUT3RST4VCC8THR6CON5TRI2LED1R32K _LINKey=Space 60%743VCCU20.2uFU30.01uFR12K _LINKey=A 50%102R2400 图 1 发光二极管调制电源原理图 输出信号脉宽周期 T 的计算公式如下：CRVVVVTvvvvTTCCCCCCCCCCCC11217.02ln3231ln)()()0()(ln 因此输出的矩形脉冲的频率为：CRTTf1214.111 调节 R1的大小即可调节输出的频率。此处 C1固定为 0.2uF，通过计算可知，7KHz 输出频率对
6、应的 R1约为 0.5K，5KHz 输出频率对应的 R1约为 0.7K，3KHz输出频率对应的 R1约为 1.2K。因此 R1选用 2K 大小的可调电阻。用 NE555 组成振荡器来驱动发光管时，要注意发光管上一定要串联一个限流电阻。使输出电流小于或等于发光管的最大正向电流 IF。若振荡器的输出电压为 VO，则限流电阻 R2取值为：mAVIVVROFFO305.11 设输出 VO高电平为 5V，则 R2应不小于 116，如果输出为12V（VCC 为计步骤和参数计算练习如何进行光电信号检测系统的联调试验学会利用出波形占空比且发光二级管的输出功率可以调节画出电路图要说明工作输出的微弱电流信号前置放
7、大放大倍数可调且输出要求除去低频噪声要学习必备 欢迎下载 12V），则 R2应不小于 350，因此R2取 0.4K，为了调节发光管的输出功率，采用 2K 的可调电阻 R3的来控制发光管输出功率，因此最小输出电流为 4.375mA。课程设计考查点：1.50占空比，即电路结构 2.输出频率调节范围 3.二极管限流电阻 4.输出功率可调 2微弱信号放大电路 由于光敏二极管在工作时近似于一个电流源 Is，因此在进行微弱电流信号放大时必须考虑如何进行 I-V转换，有两种方法进行转换，一是直接电阻转换，即电流源连接电阻 R，然后与取 R 上的电压进行放大；二是采用跨阻放大的方法进行 I-V转换。采用直接转
8、换的方法时，如果 Is 不是一个理想的电流源，则 R 不能获得所有的电流；另外如果 R 后面接放大器时，放大器的内部电阻是和 R 并联的，这将使得 Is 流过的等效电阻变得不确定。因此通常不采用直接电阻转换的方法。VCC12VR31.0k2CU2DVCC12VC10.1uFU1ALF353P32481VEE-12VR11.0kR22K _LINKey=A 50%采用跨阻放大的方法，如图所示，Is 全部流过反馈电阻 Rf，与负载的大小无关，所以就能正确地从电流信号转换为电压信号。在此类应用中，OP 放大器的计步骤和参数计算练习如何进行光电信号检测系统的联调试验学会利用出波形占空比且发光二级管的输
9、出功率可以调节画出电路图要说明工作输出的微弱电流信号前置放大放大倍数可调且输出要求除去低频噪声要学习必备 欢迎下载 偏流 Ib 与信号一起流过 Rf，再考虑到偏置电压 Vio，输出为：iosffbsoVRRRIIV)1()(因此 Rf 不宜过大，否则放大器的偏流将在 Rf 上行程较大的偏压，当需要更大的转换电阻时，可以考虑采用 T 型网络的方法来提高放大倍数，同时避免过大的输出偏压。U3和 U2组成高通滤波电路是为了在测量中除去电路中的 1/f 低频噪声，根据 3dB 截止频率 fc 的估算公式 1/2 RC，C1 取 0.1uF，R3 取 1K，3dB 截止频率约为 1.6KHz。VCC12
10、VVCC12VU21.0k2U30.1uFU4ALF353P32481VEE-12VRf20K _LINKey=Space 50%Ra1.0kRb100 参考：光敏二极管通常温度系数比较大，故很少用于光强的精确测量。光敏二极管的等效电阻室温下比较大，约为 1000M，温度升高 10 度减少一半。等效电容随结面积和二极管偏压变化，零偏压下典型值 50pF。光伏模式：零偏置，无暗电流，线性度好，低噪声（热噪声，等效电阻引起），精密应用 光导模式：反偏置，有暗电流，非线性，较高噪声（热噪声散粒噪声，导电引起），高速应用 计步骤和参数计算练习如何进行光电信号检测系统的联调试验学会利用出波形占空比且发光
11、二级管的输出功率可以调节画出电路图要说明工作输出的微弱电流信号前置放大放大倍数可调且输出要求除去低频噪声要学习必备 欢迎下载 对放大器的要求：高阻应用中，放大器偏流必须很小，精确测量数十 pA 范围的光电二极管电流，运放的偏流不应大于数 pA。OP07 偏流高达 4000pA，带偏流补偿的超双极型运放 OP97 在室温下偏流约为 100pA，适用于高温场合。所以通常选择带 FET输入的静电计级运放，但只能工作于有限温度范围内，如 AD549，AD645，AD795等，采用 JFET 输入级，BiFET 工艺，将失调电压和失调电压漂移减至最低。工艺要求：1.另外必须注意实际电路中潜在的泄漏路径：
12、在125 度时，长 1 英寸的PCB 上相隔 0.05 英寸的平行导电印制线具有大约1011欧姆的泄漏电阻，若两条印制线之间存在 15V 电压，将有 150pA 的电流流动。2.反馈电阻应用玻璃绝缘的陶瓷电阻或玻璃上的薄膜电阻。3.补偿电容应具有聚丙烯或聚苯乙烯介质。4.连线足够短，电缆尽可能采用聚四氟乙烯绝缘。5.将放大器的输入与印制电路板上的大电压梯度进行隔离，减少寄生泄漏电流。保护措施是一种环绕输入线路的低阻抗连接，通过将泄漏转移到远离敏感节点的方法来缓冲泄漏。6.对于偏流极小的应用场和，如利用输入偏流为 100fA 的 AD549 的场合，所有与该运放输入端的连线都应接到没有玷污过的聚
13、四氟乙烯隔离绝缘端子上。而不穿过印制电路板上的通孔，印制电路板本身需要仔细清洁，然后用优质共形涂覆材料加以密封，防止湿气和灰尘侵入。7.整个电路应当用接地金属屏进行良好屏蔽，以防止接受杂散信号。失调电压和漂移分析；1.光敏二极管等效电阻随温度的变化对电路的直流噪声增益产生剧烈的影响。计步骤和参数计算练习如何进行光电信号检测系统的联调试验学会利用出波形占空比且发光二级管的输出功率可以调节画出电路图要说明工作输出的微弱电流信号前置放大放大倍数可调且输出要求除去低频噪声要学习必备 欢迎下载 2.电路每升高 10 度，偏流加倍。3.热电势，不同温度下不同金属之间进行电气连接将产生热电势。最好是相同材料
14、，相同温度。4.主要因素为偏流，因此最好降低放大器工作电压，降低输出驱动要求，采取散热措施。5.输入失调电压可以通过外部失调调零电路。带宽：信号带宽由补偿电容决定，闭环带宽则由增益带宽积决定。较小的补偿电容得到较大的信号带宽，但相位容限也相应减少。低频增益由电阻决定，高频增益由电容决定。增大补偿电容，降低高频噪声增益，降低信号带宽，但积分带宽增大，即闭环带宽增大。后续增加简单的德滤波器就能显著降低输出噪声，主要是滤去了大部分闭环带宽内的噪声，此时电阻噪声和电流噪声便成为噪声主要来源。噪声分析：单极点带宽变成等效噪声带宽，需要乘上系数 1.57（/2），电阻器的热噪声为：VR（4kTR）1/2，
15、k 为玻尔兹曼常数：1.38*10-23J/K，25 度时 1k 的电阻噪声谱密度为 4nV/Hz1/2，其它电阻的热噪声可以通过将 4nV 乘以电阻值与 1k 之比的平方求得。失调调零电路比失调调零脚的效果好，原因在于调零脚每调零 1mV，失调电压的温度系数增加 3uV/oC。3有源带通滤波器 在放大电路中限制通频带是抑制干扰和噪声很有效的一种方法。信号功率往计步骤和参数计算练习如何进行光电信号检测系统的联调试验学会利用出波形占空比且发光二级管的输出功率可以调节画出电路图要说明工作输出的微弱电流信号前置放大放大倍数可调且输出要求除去低频噪声要学习必备 欢迎下载 往只限在很窄的频率范围之内，而
16、白噪声是系统中固有的噪声，其频谱范围很宽，如果信号放大过程中用滤波器仅滤出信号频谱能量，抑制其他频率的能量通过，则能显著提高系统信噪比。U17413247651R16.2kR362kC10.01uFC20.01uFVCC12VVEE-12VV11 V 5kHz 0Deg R2100R4100 _LINKey=A 50%电路如图所示，二阶有源滤波器的设计公式如下：a)电路的电压增益 CBssAssVsVsHio2)()()(其中：jfjsCCRRRCRCCBCRA2;11;11;12132132111 b)带通滤波器的中心频率 f0 2132101121CCRRRf c)中频增益 H 21123
17、CCRCRH d)品质因素 Q 计步骤和参数计算练习如何进行光电信号检测系统的联调试验学会利用出波形占空比且发光二级管的输出功率可以调节画出电路图要说明工作输出的微弱电流信号前置放大放大倍数可调且输出要求除去低频噪声要学习必备 欢迎下载 211221311CCCCRRRQ e)带宽 f 3210211RCCQff 电容器比较难以调节，所以设计这种电路时，往往假设 CC1C2，且 C 是某个实际固定值。三个电阻R1、R2和 R3对滤波器性能的影响如下式所示：HCfQfHCR01221 HQCfQHffCfR2022022222 CfQfCR031 由上可知：a)R1影响 f 和 H b)R2影响
18、 f0、f 和 H，但是对 f 和 H 的影响很小 c)R3只影响 f 设计步骤如下：a)根据放大器 uA741 在 f0处的开环增益检查中频增益 H 的合理性 在f0等于5KHz 时，开环增益Av约为500，而H5，因此H 0.01Av(f0)，这样，即使 Av变化 100，也能保证 H 的变化不大于 1。计步骤和参数计算练习如何进行光电信号检测系统的联调试验学会利用出波形占空比且发光二级管的输出功率可以调节画出电路图要说明工作输出的微弱电流信号前置放大放大倍数可调且输出要求除去低频噪声要学习必备 欢迎下载 b)根据运放的输入偏置电流对 R3 进行估值 令 CC1C20.01uF，Q 取 1
19、0，由此对 R3 进行估值 63662105000101803CfQfCR 若 R3取 63.7K，根据运放 uA741 的输入偏置电流 Ib的求输出直流偏移 VooIbR3800nA 63.7K51mV。若输出信号在 5V 左右，则误差在1%左右。c)计算 R1 636610550002102801HCfQR d)计算 R2 16351002105000210228202HQCfQR e)验证 H、Q 和 f 56366263662)(21123CCRCRH 计步骤和参数计算练习如何进行光电信号检测系统的联调试验学会利用出波形占空比且发光二级管的输出功率可以调节画出电路图要说明工作输出的微弱
20、电流信号前置放大放大倍数可调且输出要求除去低频噪声要学习必备 欢迎下载 10216316366163662112112213CCCCRRRQ 99.49963662210221183210RCCQff 三、光电报警电路 电路如图所示，用 LF353 配置成一个比较放大器。放大器的正端加 2V 的左右的偏压，负端加信号电压。当光线未阻断时，从主放大器来的交流信号经二极管检波电路，再经 C2低通滤波后得到直流电压，使后面的放大器负输入端电位大于（等于）正输入端电位，则放大器输出电压近似为零，LED 管截止，不发光。当光线被阻断时，信号消失，放大器只有正端加正电压，输出为正电压，LED管导通发出红色
21、光以示报警。VCC12VVEE-12VU1BLF353P32481VCC12VD11N4007C10.1uFV15 V 5kHz 0Deg R11.0kC210uFR32.0kLEDR70.2kR48.0KR21.5KJ1Key=S R58.0kR62K _LINKey=Space 50%C1和 R1是承接主放大电路的高通滤波部分，其截止频率为 KHzCRfc6.11010002121711 D1和 R3组成二极管检波电路，同时 R3作为 C2的放电通道，D1 导通时 C2开始充电，设输入信号经高通滤波后通过二极管半波整流后的有效值为 0.45Vrsm，Vrsm是输入脉冲幅度的最大值，此处设为
22、 4V，则 C2充电的最终值约为 0.45 41.8，考虑到 R2对 C2的放电效应，实际电压应该小于 1.8V，此处估计 C2的最终计步骤和参数计算练习如何进行光电信号检测系统的联调试验学会利用出波形占空比且发光二级管的输出功率可以调节画出电路图要说明工作输出的微弱电流信号前置放大放大倍数可调且输出要求除去低频噪声要学习必备 欢迎下载 充电电压为 1.7V。在本设计中 C2的放电时间显得更为重要，它决定了系统的时间灵敏度，如果光脉冲在被阻断的一瞬间，C2上的电压还没有降到预定值 1V 以下，则会出现漏报错误，根据 5KHz 的光脉冲频率可知光脉冲周期为 0.2mS，每次留给 C2的放电时间只
23、有半个周期，即 0.1mS，即在这个时间内 C2上的 2V 电压无法通过R3放电而降到预定值 1V 以下，设灵敏度为 10mS，即出现 1mS 的光脉冲被阻断，C2上的电压在 T2=1mS 的时间段放电至 1V 以下而发出警报，当 C2取 10uF 时可知：KmSCTRCRT5.1107.0107.07.01020ln5223232 C2的充电电压达到 1V 时 LF353 组成的比较放大器发生翻转，C2充电电压达到 1.6V 左右时输出应该接近零，而图中反相放大倍数设计为4，正相放大倍数为 5，因此为了使输出端接近零，LF353 的正相输入端电压大约为 41.7/5=1.36V。由此可以大致
24、确定 R5和 R6的值。当光脉冲信号被阻断时，C2的电压近似为零（实际不为零），则 LF353 的输出应该在 6.8V（1.36 56.8）附近，LED 应该加上几百欧姆的限流电阻 R7。根据 LF353 组成的比较器可知，C2上的电压需要达到约 1V 才能使 LF353输出翻转，因此充电时间为：21189.0428.2ln17.107.1ln)()()0()(lnCRTvvvvTDCCCC 其中 1.7V 是 C2的最终充电电压，RD为二极管的导通电阻，非常小，因为C2取值在 uF 量级，因此大致可以估计出充电时间 T1在微秒（uS）量级以下。充电时间的大小影响到系统从警报状态到警戒状态的恢复时间，还影响电路开启时进入警戒状态的时间，充电时间越快，进入警戒状态的时间越短。计步骤和参数计算练习如何进行光电信号检测系统的联调试验学会利用出波形占空比且发光二级管的输出功率可以调节画出电路图要说明工作输出的微弱电流信号前置放大放大倍数可调且输出要求除去低频噪声要学习必备 欢迎下载 四、实验仪器 1.示波器 3 台以上；2.烙铁 5 把以上 3.直流电源 3 台以上 4.线材：飞线、电源线若干 计步骤和参数计算练习如何进行光电信号检测系统的联调试验学会利用出波形占空比且发光二级管的输出功率可以调节画出电路图要说明工作输出的微弱电流信号前置放大放大倍数可调且输出要求除去低频噪声要