毕业设计（论文）-多档光功率计设计.doc

大大 连连 民民 族族 大大 学学 课课 程程 设设 计（论计（论 文）文） 多档光功率计设计多档光功率计设计 学 院 （系）：物理与材料工程学院 专 业：光电子技术科学 学 生 姓 名： 学 号： 指 导 教 师： 完 成 日 期：2015 年 07 月 01 日 大连民族大学 摘摘 要要 本次设计以通用运算放大器中的 i-v 转换器和同相放大器为核心，通过多 档开关实现不同反馈电阻间的切换，从而实现多档光功率计的设计。 首先，我使用 altium designer summer 09 软件绘制电路原理图与 pcb 板 图；其次，到实验室，在冯老师的指导与帮助下，根据所绘电路原理图，完成 使用电烙铁点焊电路板的实验设计，该电路板中有六个电阻、两个 op07 芯片、 硅光电池和若干导线等；再其次，利用万用表调试电路板，直至调试无误；接 着，打开光源钨灯，利用积分球提供稳定光，对硅光电池进行照射，通过改变 积分球的出射光功率改变光照强度，在不同光功率下使用万用表分别测量电路 最终的输出电压，记录数据；然后，切换 i-v 转换电路的反馈电阻，改变光功 率计的档位，重复上一步骤，记录数据；而后，根据所得数据，绘制 p-u 曲线， 并对其进行标定与灵敏度计算；最后，分析整体电路的输入与输出特性，得出 本次课程设计圆满完成的结论。 关键词：通用运算放大器、多档开关、关键词：通用运算放大器、多档开关、altiumaltium designerdesigner summersummer 0909 大连民族大学 目目 录录 一、绪论一、绪论 .1 1.1 设计背景1 1.2 设计任务1 1.3 基本理论知识1 1.3.1 半导体三极管.1 1.3.2 理想运算放大器.2 1.3.3 同相放大器.2 1.3.4 反相放大器.3 1.3.5 i-v 转换器3 1.3.6 多档开关.4 1.4 其他理论知识4 1.4.1 焊接.4 1.4.2 altium designer summer 09.5 二、设计方案二、设计方案 .5 2.1 功能设计5 2.2 原理图设计5 2.3 pcb 设计.6 三、硬件与设备三、硬件与设备 .7 3.1 pcb7 3.2 硅光电池7 3.2.1 结构分析.7 3.2.2 工作原理.8 3.3 钨灯8 3.4 积分球8 3.5 op07cp 芯片.9 3.6 其他工具9 四、实验过程四、实验过程 .10 4.1 实验步骤10 4.2 注意事项10 4.3 完成情况11 大连民族大学 五、数据记录与分析五、数据记录与分析 .11 5.1 数据记录11 5.2 数据分析12 5.2.1 理论放大系数.12 5.2.2 灵敏度.12 5.2.3 p-u 曲线（标定曲线）12 5.2.4 模拟 p-u 表.13 5.3 误差分析13 5.3.1 放大系数误差分析13 5.3.2 灵敏度误差分析13 六、实验总结六、实验总结 .14 七、参考文献七、参考文献 .14 多档光功率计设计 1 一、一、绪论绪论 1.11.1 设计背景设计背景 随着教学的深入开展，本专业光电子技术科学的学生有必要了解与掌 握一些基本的实验电路设计的技能，并能有相应的动手实验能力。 本次课程设计以通用运算放大器中的 i-v 转换器和同相放大器为主，通过 切换不同的反馈电阻，实现多档光功率的测量。 1.21.2 设计任务设计任务 （1）使用 altium designer summer 09 软件绘制电路原理图与 pcb； （2）根据设计电路板的功能与结构，选取所需元件； （3）使用电烙铁，把各个元件正确地点焊在电路板上； （4）使用万用表调试焊接好的电路板，直至无误为止； （5）使用万用表测量与记录在不同光功率下的电压值，切换反馈电阻，重 复测量与记录，最后对多档光功率计进行标定，并绘制标定曲线。 1.31.3 基本理论知识基本理论知识 完成该设计，需掌握以下基本理论知识。 1.3.11.3.1 半导体三极管半导体三极管 图 1.1 半导体三极管 三极管由两个 pn 结组成，分为 pnp 和 npn 两种类型，具有电流放大作用。 发射区的掺杂浓度最高；基区最薄，掺杂浓度最低；集电区面积最大。 多档光功率计设计 2 1.3.21.3.2 理想运算放大器理想运算放大器 图 1.2 理想运算放大器 理想运算放大器的输入电阻为无穷大，输出电阻为无穷小（近似为零） ，电 压放大倍数为无穷大等。在线性区工作时有以下特点： （1） 输入电流等于零，这种现象称为“虚断” ； （2） 差模输入电压等于零，这种现象称为“虚短” ； （3） 2 与 3 相互跟随变化，且二者关系为（2） ； （4） 虚地：3 接地，相当于 2 接地（虚地）等。 1.3.31.3.3 同相放大器同相放大器 图 1.3 同相放大器 同相放大器的电压信号从同相输入端输入，采用电压串联负反馈结构，具 有共模抑制比要求高、输入电阻高和输出电阻低的特点。根据计算可得： 0 = 1 = += 0= (1 + 1) = 1 + 1 = = 1 + 1 因此，同相放大器的电压增益为 。 多档光功率计设计 3 1.3.41.3.4 反相放大器反相放大器 图 1.4 反相放大器 反相放大器的电压信号从反相输入端输入，采用电压并联负反馈结构，具 有共模抑制比要求低、输入电阻和输出电阻较低的特点。根据计算可得： = += 01= 2 = 2 1 1 = 2 = = 2 1 因此，反相放大器的电压增益为 。 1.3.51.3.5 i-vi-v 转换器转换器 图 1.5 i-v 转换器 i-v 转换器是实现电流转换为电压的放大器。根据计算可得： = 该电路组成的 i-v 转换器避免了运放输入失调电压、偏入偏置电路和失调 电流影响带来的积分误差，也避免了电容的漏电流带来的误差，但对电阻和运 放的精度要求较高。 1.3.61.3.6 多档开关多档开关 多档光功率计设计 4 图 1.6 多档开关 多档开关是指一个可以使电路开路、使电流中断或使其流到其他电路的电 子元件，它含有一个或数个接通点，接点的“闭合” （closed）表示电子接点导 通，允许电流流过；开关的“开路” （open）表示电子接点不导通形成开路，不 允许电流流过。 1.1.4 4 其他理论知识其他理论知识 1.4.11.4.1 焊接焊接 焊接，也称作熔接、镕接，是一种以加热、高温或者高压的方式接合金属 或其他热塑性材料如塑料的制造工艺及技术。 焊接的能量来源有很多种，包括气体焰、电弧、激光、电子束、摩擦和超 声波等。焊接可在多种环境下进行，如野外、水下和太空。无论在何处，焊接 都可能给操作者带来危险，所以在进行焊接时必须采取适当的防护措施。 焊接通过下列三种途径达成接合的目的： （1）加热欲接合之工件使之局部熔化形成熔池，熔池冷却凝固后便接合， 必要时可加入熔填物辅助； （2）单独加热熔点较低的焊料，无需熔化工件本身，借焊料的毛细作用连 接工件（如软钎焊、硬焊） ； （3）在相当于或低于工件熔点的温度下辅以高压、叠合挤塑或振动等使两 工件间相互渗透接合（如锻焊、固态焊接） 。 本次课设使用第二种途径进行焊接操作。 1.4.21.4.2 altiumaltium designerdesigner summersummer 0909 多档光功率计设计 5 altium designer 是原 protel 软件开发商 altium 公司推出的一体化的电 子产品开发系统，主要运行在 windows 操作系统。altium designer 的主要功 能有： （1） 原理图设计 （2） 印刷电路板设计 （3） fpga 的开发 （4） 嵌入式开发 （5） 3d pcb 设计 altium designer 这套软件通过把原理图设计、电路仿真、pcb 绘制编辑、 拓扑逻辑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术的完美融合，为设计者 提供了全新的设计解决方案，使设计者可以轻松进行设计，熟练使用这一软件 必将使电路设计的质量和效率大大提高。 二、设计方案二、设计方案 2.12.1 功能设计功能设计 制作一个能够实现以下功能的电路： （1） 实现电流转换为电压与电压放大； （2） 实现切换反馈电阻的多档光功率测量； （3） 实现电路安全稳定,能够测量与记录实验数据等。 2.22.2 原理图设计原理图设计 图 2.1 功能流程图 图 2.1 为本次设计的电路的功能流程图，该电路需要实现从光源到光电转 换，光电转换到 iv 转换，iv 转换到电压放大，电压放大到功率转换的功能。 多档光功率计设计 6 图 2.2 电路原理图 根据电路的功能设计的要求，使用 altium designer summer 09 软件绘制 多档光功率计的原理图，如图 2.2 所示。u1 为 i-v 转换器，实现把由 p1 端的 硅光电池 d 受光照产生的电流转换为电压的功能；u2 为同相放大器,把 u1 产生 的电压信号进行比例放大，输出放大的电压信号；s 为多档开关，可切换到不 同的反馈电阻实现不同档位间的变换，其中各个电阻的阻值为： r1a=10k,r1b=100k,r1c=300k,r2=100r,r3=100k,r4=100k。 2.2.3 3 pcbpcb 设计设计 图 2.3 印制电路板图 图 2.4 印制电路板图（敷铜） 使用 altium designer summer 09 软件进行 pcb 封装设计，设计结果为 图 2.3 和图 2.4 所示。 多档光功率计设计 7 三、硬件三、硬件与设备与设备 在本次课程设计中，需要用到电路板、硅光电池、钨灯、积分球、op07cp 芯片、管座、电阻、电烙铁、焊锡、偏口钳、万用表和导线等硬件设备。 3.13.1 pcbpcb 图 3.1-3.2 pcb 3.23.2 硅光电池硅光电池 图 3.3 硅光电池结构示意图 硅光电池（又称太阳能电池）是一种直接把光能转换成电能的半导体器件， 其结构简单，核心部分是一个面积较大的 pn 结，并具有光生伏特效应，即受到 光照时能产生的电动势和电流。它可用作光电探测器和光电池，被广泛用于太 空和野外便携式仪器等的能源，具有寿命长、使用方便、无噪音、无污染等优 点。 在本次课程设计中，采用硅光电池作为多档光功率计的探测器。 3.2.13.2.1 结构分析结构分析 硅光电池内部结构如图 3.3 所示，主要由两部分组成：n 型硅基片层和 p 型硅受光层。根据 pn 结原理，当光照在 p 型硅表面，且光子能量大于材料的禁 带宽度时，在 pn 结内产生电子-空穴对，n 区电子密度增加，p 区空穴密度增加， 如果外电路处于开路状态，那么这些光生电子和空穴积累在 pn 结附近，使 p 区 获得附加正电荷，n 区获得附加负电荷，这样在 pn 结上产生一个光生电动势， 这一现象称为光生伏特效应。如果连接灵敏电流计形成闭合电路，则在回路中 多档光功率计设计 8 产生光电流，光电流的大小与入射光强有关。 3.2.23.2.2 工作原理工作原理 硅光电池的工作原理是基于光生伏特效应。当半导体 pn 结处于零偏或反偏 时，在它们的结合面耗尽区存在一内电场，当有光照时，入射光子将把处于价 带中的束缚电子激发到导带，激发出的电子空穴对在内电场作用下分别漂移到 n 型区和 p 型区，当在 pn 结两端加负载时就有一光生电流流过负载。流过 pn 结两端的电流由下式确定： = ( 1)+ 其中：is(饱和电流);v(pn 结两端的电压);t(绝对温度);ip(产生的光电流) 图 3.4 硅光电池的伏安特性曲线 当在硅光电池两端加负载就会有电流流过，当负载很小时，电流较小而电 压较大；当负载很大时，电流较大而电压较小。图 3.4 为硅光电池的伏安特性 曲线。 3.33.3 钨灯钨灯 钨灯，一种用于各种类型商场、酒店、店铺、家居等装饰设计照明及仪器 照明的灯具，具有灯光效高、寿命长、光色良好的特点。 3.43.4 积分球积分球 图 3.5 积分球原理图 多档光功率计设计 9 积分球（integrating sphere）是一个内壁涂有白色漫反射材料的空腔球 体，又称光度球和光通球， 其特点是具有高反射性内表面的空心球体。球壁上 开一个或几个窗孔，用作进光孔和放置光接收器件的接收孔。积分球的内壁应 是良好的球面，通常要求它相对于理想球面的偏差应不大于内径的 0.2%。球内 壁上涂以理想的漫反射材料（漫反射系数接近于 1） 。常用的材料是氧化镁或硫 酸钡，将它和胶质粘合剂混合均匀后，喷涂在内壁上。氧化镁涂层在可见光谱 范围内的光谱反射比都在 99%以上，这样，进入积分球的光经过内壁涂层多次 反射，在内壁上形成均匀照度。为获得较高的测量准确度，积分球的开孔比应 尽可能小。开孔比定义为积分球开孔处的球面积与整个球内壁面积之比。 3.3.5 5 op07cpop07cp 芯片芯片 图 3.6 op07cp 封装图 op07 是高精度低失调电压的精密运放集成电路,用于微弱信号的放大，如 果使用双电源，能达到最好的放大效果。 3.3.6 6 其他工具其他工具 图 3.7 电烙铁 图 3.8 焊锡 多档光功率计设计 10 图 3.9 偏口钳 图 3.10 万用表 电烙铁，用于焊接元件及导线。 焊锡，是在焊接线路中连接电子元器件的重要工业原材料，广泛应用于电 子工业、家电制造业、汽车制造业、维修业和日常生活中。 偏口钳，电工常用工具之一，又称为“斜口钳” ，主要用于剪切导线，元器 件多余的引线。 万用表，一种多功能、多量程的测量仪表，一般可测量直流电流、直流电 压、交流电流、交流电压、电阻和音频电平等，有的还可测量交流电流、电容 量、电感量及半导体的一些参数等。 四、实验过程四、实验过程 4.14.1 实验步骤实验步骤 （1）提前使用 altium designer summer 09 软件绘制电路原理图与 pcb； （2）两人一组，找齐所需设备与元件； （3）使用电烙铁把各个元件焊接到电路板上； （4）在电路板管座上安装 op07cp 芯片，使用万用表调试电路板； （5）在调试无误后，用钨灯和积分球提供稳定光源，对硅光电池进行照射， 通过改变积分球的出射光功率改变光照强度，在不同光功率下使用万用表分别 测量电路最终的输出电压，记录数据； （6）切换 i-v 转换电路的反馈电阻，改变光功率计的档位，重复上一步骤， 记录数据； （7）检查整体实验情况，确认后整理实验室，打扫卫生，实验完成。 4.24.2 注意事项注意事项 安全第一，正确使用设备，操作过程中保护电路元件，避免静电造成元件 多档光功率计设计 11 损伤；降低噪声信号，提高数据真实性。 4.34.3 完成情况完成情况 图 4.1 焊接后的 pcb 图 4.2 多档反馈电阻 图 4.3 硅光电池电路 图 4.4 整体电路 图 4.1 所示电路板，点焊了两个管座、两个 op07 芯片、三个电阻（阻值分 为 100r、100k 和 100k）和若干导线等，该电路板构成 i-v 转换电路和同相放 大电路；图 4.2 所示电路板，点焊了四个电阻（阻值分为 10k、100k、300k 和 470k） ，其中选用 10k、100k 和 300k 的电阻作为本次课程设计的多档反馈电阻。 多档光功率计设计 12 五、数据记录与分析五、数据记录与分析 5.15.1 数据记录数据记录 表 5.1 多档光功率计设计实验数据表 实验在较为理想情况下进行，分别测量光功率计在不同输出光功率和不同 档位（即 10k 反馈电阻、100k 反馈电阻和 300k 反馈电阻）下的输出电压，得 到如表 5.1 所示的实验数据表。 5.5.2 2 数据分析数据分析 下面结合设计的电路，计算与分析测得的数据。 5.2.15.2.1 理论放大系数理论放大系数 放大系数 a理=1+r4/r3=1+100k/100k=2。 5.2.25.2.2 灵敏度灵敏度 对所得数据进行计算处理，得到光功率计各档位的 p-u 关系式分别为， 10k 反馈电阻：y = 0.4011x - 0.00671 100k 反馈电阻：y = 4.0067x - 0.01582 300k 反馈电阻：y = 11.974x + 0.10553 灵敏度（sensitivity）是衡量物理仪器的一个标志，由123式可得， 光功率计各档位的灵敏度 分别为： 10k 反馈电阻：0.4011；100k 反馈电阻：4.0067；300k 反馈电阻：11.974 可知，光功率计的灵敏度与反馈电阻的阻值成正比，反馈电阻越高，灵敏 度越高。因此，合理选择反馈电阻，以匹配相应的灵敏度尤为重要。 5.2.35.2.3 p-up-u 曲线（标定曲线）曲线（标定曲线） 多档光功率计设计 13 图 5.1 输入光功率与输出电压（p-u）曲线 根据表 5.1 所得数据，使用 excel 软件绘制了输入光功率与输出电压（p- u）曲线，如图 5.1 所示。由图 5.1 可知，输入光功率与输出电压（p-u）关系 在光功率为 0-5w 的范围内，具有良好的线性关系。 5.2.45.2.4 模拟模拟 p-up-u 表表 图 5.2 输入光功率与输出电压（p-u）标定表盘 根据表 5.1 所得数据，模拟真实电表，绘制标定表盘，即 p-u 表，如图 5.2 所示，使用该表盘能够实现把所测的光功率值换算为对应的电压值的读数 功能。 5.5.3 3 误差分析误差分析 5.3.15.3.1 放大系数误差分析放大系数误差分析 分析所得数据，计算出同相比例放大电路的实际放大系数 a实=2.0109，则 绝对误差为， |实 理| 理 = |2.0109 2| 2 100% = 0.55% 实 理 1 多档光功率计设计 14 由计算结果可知，放大系数的绝对误差很小（0.55%） ，实际放大系数与理 论放大系数比值接近 1。因此，该结果较为精确，与理论相符程度高。 5.3.25.3.2 灵敏度误差分析灵敏度误差分析 10k 反馈电阻：实=0.4011，理=0.4，绝对误差为， |实 理| 理 = |0.4011 0.4| 0.4 100% = 0.28% 实 理 1 100k 反馈电阻：实=4.0067，理=4，绝对误差为， |实 理| 理 = |4.0067 4| 4 100% = 0.1