（电子科学与技术专业论文）嵌入式光电光谱检测系统特性的研究.pdf

a b s t r a c t t h i sa r t i c l ei sd e s i g n e do p t o e l e c t r o n i cd e v i c e s ( 1 i g h t - s e n s i t i v er e s i s t o r s ，p h o t o v o l t a i c c e l l s ，p h o t o d i o d e s ，e t c ) e l e c t r o - o p t i c a lp r o p e r t i e s a n ds p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h e d e t e c t i o ns y s t e m 1 i lt h eo p t o e l e c t r o n i cd e v i c e so nt h ep r i n c i p l eo fm e a s u r e m e n to fs p e c t r a l c h a r a c t e r i s t i c su s e dt oc o m p a r et h r e es c e n a r i o s ：a d i f f r a c t i o n g r a t i n g , f a b r y p e r o t i n t e r f e r o m e t e ra n dt h em i c h e l s o n t y p ei n t e r f e r o m e t e r - t y p ep r o c e e d f i n a l l ya d o p t e da d i f f r a c t i o ng r a t i n gm o n o c h r o m a t o rs p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i c so fo p t o e l e c t r o n i cd e v i c e sa s m e a s u r i n ge q u i p m e n t e l e c t r o - o p t i c a l c h a r a c t e r i s t i c so fo p t o e l e c t r o n i cd e v i c e si n t h e m e a s u r e m e n t ，t h i sp a p e ru s e sar e dl a s e ra sal i g h ts o u r c e ，a n du s e sav a r i a b l ec o n s t a n t c u r r e n ts o u r c ea sal a s e r - d r i v e n ，s ot h a tt h eo u t p u tl a s e rp o w e ra d j u s t a b l e i nt h ev a r i a b l e c o n s t a n t c u r r e n ts o u r c ed r i v e rc o n t r o lp a n e l s f o r c o n t r o l l i n g t h i s p a p e r , a r m m i c r o c o n t r o l l e rc o n t r o l l e db yt h em i c r o c o n t r o l l e ro nt h ed a c o n t r o lt oa d j u s tt h ev a r i a b l e c u r r e n ts o u r c eo p t i c a lp o w e rc o n t r o li nt h es i g n a la c q u i s i t i o ns y s t e m ，t h i sp a p e r , a n a l o g c i r c u i t so nt h eo p t o e l e c t r o n i c d e v i c e sm e a s u r e m e n t s a n a l o gc i r c u i tt h r o u g ht h e p h o t o v o l t a i cc o n v e r s i o na n dt h r o u g hm u l t i - c h a n n e la n a l o gs w i t c hn c s t r o b ed e v i c e s t h e n a f t e rav a r i a b l eg a i na m p l i f i e r 、a f t e ra dc o n v e r s i o na n dt h r o u g ht h em i c r o c o n t r o l l e r s e r i a ld i g i t a ld a t at ot h ea r mw i t h i n t h em a i nc o n t r o lp a n e lf o r p r o c e s s i n g w i n d o w e s c e n e t o p e r a t i n gs y s t e mu s i n gt h ed a t ap r o c e s s i n g a st h em e a s u r i n gc i r c u i t a n dav a r i e t yo fo p t o e l e c t r o n i cd e v i c e sa g ep r e s e n ts ot h en e e df o rs o f t w a r ec a l i b r a t i o n e r r o r s a f t e rs o f t w a r ep r o c e s s i n go ft h em e a s u r e dd a t ac u r v ef i t t i n g , f i n a l l ya p p e a r si na 7 i n c ht o u c hs c r e e no nt h ed i s p l a y k e yw o r d s ：g r a t i n g m o n o c h r o m a t o rw i n d o w s c e n e to p e r a t i n gs y s t e ms i g n a l a c q u i s i t i o ns y s t e m l a s e ra n di t sd r i v i n g 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，嵌入式光电光谱检测系统特性的 研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已 经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作 品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：篡兰函 一列dm l f l z , _ f f _ e t 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定 ，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名_ 塑兰垄垂7 卫 ! 钮月凹日 导师签名：，獬 z q ( 垒年土月上媚 1 1 论文研究背景与意义 第一章绪论 由于光电子技术发展和光电器件广泛用于在生活中的很多方面，例如光电探测 领域、光电转换技术、太阳能技术池、光电传感器等很多种领域。对于半导体和金属 氧化物等光电器件及其光电相关组件在市场需求和占有量日益扩大。所以需要大量光 电器件本身光电特性的检铡，因此可以测量光电器件的光电特性和光谱特性等的检测 仪器需求也大量增加，随着市场对此类仪器需求日益扩大，所以对此类检测装置的研 究也越来越多。一般半导体光电器件的特性主要包括光电特性、光谱特性、伏安特性 以及频率特性和温度特性等，但是其中半导体光电器件的光电特性和光谱特性尤为重 要，为光电器件所使用时所参考的两个重要技术指标。由于此类产品在市场中没有大 量的普及，以及现有的此类产品一般价格比较昂贵，而且仪器比较庞大，不适于普及 在生活中很多所需的多种领域。尤其在现代光电器件已经深入到生活当中的很多地 方，在现有的光电器件并没有一个很严格使用要求，也没有强硬的措旌来规范化的市 场，所以急需一些小型化的大众化的光电器件的测量装置，便于携带，易于测量的设 备。所以此类设备需要具备体积小、功耗低、寿命长、精度高、启动时间短、动态范 围宽、重量轻、功耗小、成本低等特点，才可以更加普遍的应用和快速的发展。例如 发光二极管，光电池，光敏电阻的规模化应用于社会中的各个领域，已经作为一种必 需的设备深入人心。在民用和商用及其教学上应用越来越广泛，但普通百姓对光电器 件的光电特性及其光谱特性却很少了解，而且市场上的同类产品全部比较庞大而且操 作复杂，所以本设计具有广阔的市场前景和发展空间，在民用、工业、科研和医学等 领域需求量非常大而且应用范围相当广泛。研究、测量光电器件的光电特性及光谱特 性，给出光电器件技术参数的质量科学评价，对光电器件设计及应用具有极其重要的 意义。近年来，如何用一种简便、精确、实用的方法测量、评价光电器件的技术参数， 已经成为具有实际经济意义，值得从事光电器件生产的公司和研究光电器件的工作者 们进行深入研究。传统的测量光电器件的光电特性光谱特性的方法都由光电器件的生 产公司自行设计电路独自测量，同时市场上也出现了些光电检测的产品，但大多数 都很笨重不易普及大众化。所以一种可以测量光电器件的光学特性的仪器对进行光电 器件的参数测量及辅助设计教学等具有十分重要的意义。 1 2 国内外发展的现状 目前国内外的各种测量光电参数的仪器主要趋势为智能化、小型化以及功麓高度 集成化，系统功能操作简单化等。一般相对于传统的测量仪器，小型化和智能化理念 测量仪器已经深入社会中的各个领域。它操作简单，便于携带可用于多种复杂的自然 环境。更加方便的被用户使用，因此对于小型化的光电光谱参数测量仪的研究已经成 为比较热门的一个领域，在各大国内外的公司里已经有大量的产品走向市场。在这里 解释一下微小型光电光谱参数测量仪的含义。一般微小型化的测量仪器可以包括两 种，一种是微型化，另一种是小型化。本文所要设计的小型化光电光谱参数测量仪主 要是基于手工的传统的工艺技术的小型化测量仪器。相对于小型化的测量仪，微型化 的测量仪主要是一种基于m e m s 制造工艺的新的技术领域，新理念的集成化程度高的 测量仪器。所以本文可以从上面两方面入手来选择适合本文需求的小型化光电光谱测 量仪器。即是以传统制造业的工作原理、以小型化的思维理念为设计思想，在加上完 善的现代新技术和新材料和新的器件来设计出适合于本文所需的小型测量光电光谱 仪器，这也是现代仪器设计思想的方法，这种方法可以比较方便的快速的设计出本文 所需要的光电光谱参数测量仪器。第二种设计理念为基于微型化的思维来设计出全新 的光电光谱检测的机理，采用m e m s 等现代科技新技术和新的设计理念来开发出全新 的微型化测量仪器，这也是现代人所需要尽量努力达到的地方。微小型光谱测量仪器 最早可以追溯于上个世纪3 0 年代，但真正的智能化、小型化的设计方式只有在最近 的十多年内才可以达到并进入市场，摆脱笨重、不易操作的实验室光电光谱测量仪器。 由于现代科学技术突飞猛进，新科学技术的飞快发展。大批量的光学器件批量生产、 高性能光学检测仪器的开发和光电子学理论日益完善等。使得一些光电光谱测量仪器 摆脱实验室达到实验室以外的地方，例如工厂、军事战场、以及生活的多个方面。在 以往传统理论认为难以实现的光谱测量仪器已经应用于生活的很多领域。在上个世纪 7 0 年代，半导体激光器，和各种电光设备的生产和加工技术和理论思想更加成熟，尤 其在材料和晶体生长的灯芯技术和新材料理论的迅速发展，各种光电器件可以大量普 及于生活所需的各个方面。以光纤通信，光电传感，电光器件等新技术、新的工业器 件的使用，使光电子的产业形成一个相对庞大的产业。这些技术的发展也带动了光电 光谱测量领域的技术和理论的发展相对成熟。在本文所应用的光谱测量的部分主要用 光栅的技术，在光栅技术比较成熟的现代，光栅衍射分光技术所具有的多种优点体现 在比较宽的测量波段范围，比较高的灵敏度等很多优点，这种技术已经应用于光栅分 光的很多领域。上个世纪8 0 年代，a n r i t s u 公司第一次成功设计出光栅智能化光谱分 析仪，至此这个公司已经设计出一系列产品。上个世纪的工业革命已经从工业化时代 转换成信息化时代，这归功于大规模集成电路，和高精密下载年代科学技术对加工工 艺和精密程度高速发展，高速的微处理器和硬件器件的处理技术，新的理论算法、无 所不能的软件技术的发展，已经大大提高了各种仪器的性能，使其更加高效、简捷、 方便，分析速度已经跨越了多个等级，有效地提高了分辨率和准确程度，以及测量精 度。以下为一些国内外公司的光谱光电检测仪器的介绍，如a d v a n t e s t 和a n d o 等公 2 司也已经推出了很多更加高效，更加方便快捷的光电光谱检测产品。国内的深圳泓宇 光电子科技有限公司h o n gy ul i g h te l e c t r o n i c s 。l t d 是一家专业从事光电仪器测 试设备的研究与开发，并致力于为广大用户提供高品质，多功能，高性价比的产品： 如其l e d 光电参数测试仪与便携式光电光谱参数测试仪、l e d 电参数测试仪等产品已 经应用于市场的很多方面。国内的另一家光电测量仪器的公司星普光电有限公司所生 产的3 3 1 0 型仪器专用于测试多种光电器件的基本光和电的参数，操作方便，测量迅 速，维护简易，适宜于工厂或车间大量实时的检测使用。内置高精度恒流源，光强测 量条件完全符合c i e 推荐的标准，并配置有先进的校准软件。以及其生产的c h 6 1 6 光 电参数快速测量仪。目前对节能灯光、电参数的测量都停留在实验室的技术水平上， 即将光、电参数的测量仪器分别连入各自的测量电路，这种方法对测试的人员、场合、 成本及设备等条件都有较高的要求，只适合于生产厂家应用在研制过程的实验室内， 却难以满足销售商在商场、销售门市部对节能灯以及相关电光源进行快速测试的要 求。c h 6 1 6 光电参数快速测量仪的问世，解决了这个难题。销售商可以在采购或销售 产品时对节能灯的性能进行快速对比测量。 1 3 论文的主要研究内容 本文主要对嵌入式光电光谱测量系统的研究，此系统主要有以下几部分内容组成： 1 信号采集部分主要由光电池，光电二极管，光敏电阻等光电变换模拟电路作为光 电探测电路。 2 单片机控制多路模拟开关进行自动光电器件选择选通控制。 3 单片机控制自动增益变换放大器电路。 4 单片机控制模数变换电路。 5 步进电机及其步进电机驱动器。 6 光电器件的光谱测量主要用到光栅单色仪进行光谱测量。 7 激光器及其激光驱动恒流源。 8 单片机控制数模变换，把数字信号转换成模拟信号对可调恒流源进行来控制。 9 a r m 主控板通过串口与单片机进行通信。 1 0 a r m 微处理器和其嵌入式w i n d o w s c e n e t 操作系统的数据处理、算法计算、控制和 在7 寸触摸屏进行结果显示 如图1 1 为嵌入式光电光谱测量系统的总体结构图： 3 图1 1 系统总体结构图 4 第二章光电器件光谱特性测量原理 2 1 光电器件的光谱特性测量三种方案的原理 光电器件的光谱特性测量原理，一般测量光谱特性的光谱分析仪可分为以下几种 类型：第一种类型为衍射光栅型，它主要用来激光或者l e d 等光谱特性的测量，衍射 型光栅的分辨率较高而且相对于其他几种测量原理的光谱测量范围是可变的，主要从 0 1 n m l o n m 。第二种为f a b r y p e r o t 干涉仪h 1 ，此种光谱特性测量仪一般具有比较 固定的分辨率，它的光谱测量范围一般为i o o i v l h z i o g h z ，这种测量范围一般小于衍射 光栅型的光谱特性测量方式。第三种光谱特性测量仪为m i e h e l s o n 干涉仪，主要用于 测量相干波相长度的光波光谱，它可以通过f o u r i e r 变换的干涉图来测量出光谱的结 果。 2 1 1f a b r y p e r o t 干涉仪型光谱测量原理 如图2 - 1 所示，f a b r y p e r o t 干涉仪是一种中间具有两块高反射并且平行的玻璃 板组成，主要是对进来的光线进行滤波。在其两端为两个凸面镜对输入光进行调整与 折射分光。f a b r y p e r o t 干涉仪的分辨率主要根据两个平行光板的距离所决定的，常 用的f a b r y p e r o t 干涉仪平行光板的间距是不变的。 缈氓 八八 、浅 1 f 。 utl 输出 谐振腔 图2 1f a b r y p c r o t 干涉仪 根据f a b r y p e r o t 干涉仪的原理来看，他具备很高的分辨率和很好的光谱测量精度。 但是f a b r y p e r o t 干涉仪也有一定的缺点，由于f a b r y p e r o t 干涉仪在每个位置，不 同波长的光线都能通过滤波器，即平行光板间的自由光谱区。解决这个的方法一般可 采用在f a b r y p e r o t 干涉仪后面加一个衍射单色仪来解决。通过单色仪的滤波作用。 可以滤掉自由光谱区以外的所有光波。另一方面由于f a b r y p e r o t 干涉仪的干涉条纹 5 比较细，所以可以他的精确度更加的高，使得其可以精确的测量光谱波长的长度，所 以可以用其测量一些非常超精细的光波和光学结构。 2 1 2 _ i e h e i s o n 干涉仪光谱测量原理 m i e h e l o s n 干涉仪的原理如图2 2 所示，他的组成主要由一对精密的反射镜，和一 个厚膜和折射率非常均匀的透明玻璃板，在这块玻璃板上镀有一层非常薄的银膜，用 来使入射光线在经过玻璃板的同时进行分光，其中一束光通过反射镜m 1 ，另一束光 经过反射镜m 2 进行反射，最终两条光纤又可以返回到玻璃板上，由于两块反射镜的 之间的距离不同所以两束光所产生光程差也不同，因此可以在探测器上产生干涉条 纹。 图2 2m i e h e l s o n 干涉仪 m i e h e l o s n 干涉仪网j 在初期设计师主要是为了研究光束质量的问题。是一种分振 幅干涉的测量设备。由于其采用的原理的两块反射镜、玻璃板和探测器是完全分开的， 在其中可以方便安插其他光学器件，因此可以观察例如薄膜干涉等很多现象。另外他 设计的比较精巧，所以所应用的方面也很广泛，很多中干涉仪有此装置演化出来，所 以在现在所用的很多干涉仪都能看见他的设计原理。m i e h e l o s n 干涉仪由于其是用入 射光和他的延时光信号所生成的干涉条纹。所以它可以直接测量光的相干波长。因为 其他的光谱测量原理不能直接的测量光波的长度，所以这种m i e h e l o s n 干涉仪有其独 特的价值。这种干涉仪也有其缺点主要是它的测量光谱的范围较小。 6 2 1 3 衍射光栅型光谱测量原理 衍射光栅型光谱测量原到2 2 1 。主要是用衍射光栅对入射光进行分光来调谐光滤波 器。由于光栅的原理，它可以将不同波长的光线分开到不同波长，其原理与棱镜分光 的结果差不多。如图2 3 为棱镜型分光原理，通过狭缝对棱镜分出来的不同波长的光 线进行测量。在不同的角度所测量的光谱的光波长不同，因此是可调光谱测量范围的 光谱仪。 器 图2 3 棱镜光谱仪分光原理 采用衍射型光栅原理作为光谱测量的光谱分析仪，一般具备很宽的波长范围和更 少的损耗和很好的分辨率。如图2 4 所示光栅是一种在一块平面镜上刻有很细划痕的 光栅条纹，一般相邻条纹的距离为一个光波长。当一束光照在光栅上时，光线经过光 栅反射被分开到很多角度的不同光波长光线。称第一束的反射光为零极光，以此类推 为一级光、二级光束等。 输入光 m m 图2 4 衍射型光栅 7 m = o 从图2 4 所示，第一级光束m = 1 是由每个光栅划线的反射光相干干涉形成的。因 此每个相邻的光栅划线槽反射光的光程差为一个光波长才可以发生相长干涉。由于一 束光线有很多种波长组成，经过光栅时光束不同波长的光线将会有一定角度的色散。 产生很多种角度不同的分光束，所以其可以覆盖很宽的光谱范围。下图为衍射型光栅 光谱测量仪的原理。一束光经过光栅被分光成不同光波长的光束，在通过狭缝输出光 线，在狭缝的位置有光电探测器，通过旋转光栅就可以使探测器探测到不同光波长的 光束。由此原理，使得他可以测量很宽的光谱范围。 ，图2 5 衍射光栅光谱仪 下面介绍几种衍射型光栅测量装置的原理： 1 衍射光栅单色仪 如图2 6 为衍射型光栅单色仪，它主要由两个曲面反射镜和一片光栅，两个狭缝， 一个用来输入光线，另一个用来进行光电探测。一束光通过输入光狭缝经过凹面镜反 射为一束较宽范围的光束，这束光镜所衍射光栅被分散成不同光波长的光束，最后通 过出光狭缝对其输出光进行测量。通过改变出光口的狭缝宽度来调节单色仪的分辨 率。 光电撂铡嚣狭缝 嘶镜 夕 图2 6 单色仪型的光谱分析仪 衍射光栅单色仪是光栅型光谱测量仪的核心，衍射型光栅是作为色散分光的元器 8 件来用于光栅单色仪中如图2 7 所示。经过光栅型单色仪的光波长满足光栅方程 a ：( + r a x s i - a + s i n 声) ( m - - 0 ，1 ，2 ) ( 2 1 ) 式中：d 为光栅常数，p m ： a 为入射角，d e g ： p 为衍射角，d e g ； a 为光波长，p i l l ； m 为衍射级次。 图2 7 单色仪原理 2 级联型双单色仪 图2 8 为级联型双单色仪，此类型的光栅测量仪通过改善型单色仪的测量原理， 使其测量光谱的动态范围更加宽。由于和单色仪相比它增加了调谐匹配限制，减少了 扫描的宽度，所以其灵敏度相对于单色仪来说要精密很多。 9 i 瞪函镰 电 光l l 海测器狭赣h 、 夕晰使 黼 图2 8 基于双单色仪的光谱分析仪 3 双通型单色仪是一种更加精密的光谱测量装置，其具备更加大的动态范围和灵敏 度。所以双通型单色仪使用与非常先进的光谱测量情况下。 2 1 4 光谱特性测量方案选择 通过以上几种方案的介绍，f a b r y p e r o t 干涉仪的光谱测量原理，是一种对固定比 较窄的光谱带宽进行测量的装置，其测量的频率一般在1 0 0 m h z 到1 0 g h z ，所以一般 常用于测量激光的光谱特性。m i e h e l o s n 干涉仪测量光谱特性的装置一般用于测量直 接相干长度的光波，通过计算所测量出的干涉图案f u o r i e r 变换来测量光谱特性。所以 其主要用于进行多种激光器和l e d 的光谱测量，这种光谱测量装置的分辨率一般从 0 0 5 r i m 到5 n m ，其测量的灵敏度比较高，光谱动态范围比较大等特点。但其测量速 度相对很慢，所以相对于本文的需求有很大的局限。衍射光栅型单色仪光谱测量具备 很高的灵敏度，和很好的光谱范围，具备完整的偏振非敏感性，在准直和曲面反射镜 的设计上降低了单色仪的尺寸。所以使用本文所要求的测量装置。因此本系统采用光 栅衍射型单色仪，可以很好的适应本论文的设计要求，保证了本设计所需的设计精度 和设计要求。如图2 9 为光栅单色仪实物图：单色仪内部主要有2 片凹面反射镜和两 个霍尔开关还有一片光栅和一个在光栅下面带动光栅转动的步进电机。 1 0 图2 9 光栅单色仪 2 2 光栅单色仪内的步进电机及其电机驱动 221 电机介绍 本设计所采用的步进电机为18 四相高转矩混合式步进电机4 2 b y g g l 0 2 表2l 是此 步进电机技术参数规格： 表2l l 8 。四相高转矩混合式步进电机4 2 b y g g l 0 2 的技术参数 项目)( 规* ) 步进角精度疆( f u l ls t e pn ol 伸d ) 阻抗精度 l o 洱 感应精度2 0 暇 温井8 0 o l l a x ( r e t e dc 岍e n t2 帅a ) 环境度1 0 + 5 0 绝缘等缎l 洲o _ l n5 0 0 呱 舟质强度 5 0 0 v l t cf o r 吣ea i n u t e 转轴轴向跳自o0 2 勤i ( 4 5 0g - - l a d ) 转轴径向日t 动00 b h ( 4 5 0g - l o a d ) 表2 2 为l _ 8 。四相高转矩混合式步进电机4 2 b y g g l 0 2 的机械技术规格和电气技术规 格，从表中可以详细的看出此步进电机的各种技术参数和机械技术参数。 表2 - 2 步进电机的机械技术规格和电气技术规格 例sl 一* 篱煳一c 一，攀，嚣誓 4 l u n i p o a r 3 6l t 83l2 03 22 2 03 0 0 0 l g c m ， 产日型号 对角线孔匪螺丝于l 径l 轴径轴长电机外径电机身长 重量( k g ) 4 赢；1 0 23 1 i 。”h 一j ；i 矗 图21 0 为l _ 8 。四相高转矩混合式步进电机4 2 b y g g l 0 2 实物图片 图21 0l8 。四相高转矩混合式步进电机4 2 b y c , g 1 0 2 2 22 电机驱动爱件电路设计 步进电机驱动主要完成对步进电机的控制，包括对步进电机的转动角度，转动速 度，转动方向等控制，步进电机驱动由电机本身进行电压驱动，由软件脉冲进行控制 其转动角度速度和停止、转动等控制，由镦机对步进电机发出脉冲信号后，荐经过脉 冲电路把命令转化成步进电机的四相脉冲对电机的转动方向和速度进行分配控制。一 般步进电机需要专有的电机驱动控制器，在市面上有很多专业的步进电机控制器，步 进电机与步进电机驱动不可分割，为一个整体部分，驱动电路一般由变频电路信号源， 和环形的分配控制器和由运算放大器组成的功率放大器，变频信号源为一种可生成连 续不断的脉冲信号波形生成的仪器，脉冲分配器为一种将脉冲信号转换成放大器控制 所需的逻辑合理的信号。可以是步进电机主动动方向和转动速度的控制。放大器为一 种是步进电机驱动所需的功率的驱动的电路，主要功能为电流的开通，截止和电流大 小的控翩输出大小的电路，高低电压控钳和单电压斩波的电源。 1 步进电机的工作方式。四相步进电机的工作方式有以下几种，它包括：四相八拍， 四相双四拍，四相单四拍等形式。四相单相四拍的电机转动顺序为 a - b - c - a 。四相破四拍：a b - b cc d - d aa b ：四相八拍： a - ，a b - ，b - ，b c - 帅cc i ) d ，d a - ，a 。以上为三种步进电机转动顺序的介 绍，只要驱动电路阻此顺序为步进电机提供所需的电压，则电机就会按上面的顺序进 行转动。 2 电机升频启动原理。在一定负载的电机转动扭矩下，电机能够稳定正常启动和运行 所加的最高控制频率叫做启动频率。他的频率要比正常电机运行时的频率低的很多， 因为电机启动时速度为零，所以在电机起步时会发生频率共振现象。所以需要进行一 定比较高的频率进行启动。常用的升频起动的方式有直线形升频原理，指数曲线形升 频原理，抛物线形升频原理。在系统电机驱动开发过程中，必须知道所需电机的扭矩 特性，此特性电机扭矩特性一般与抛物线型升频曲线所设定的升频曲线比较吻合，以 此才可以保证了电机起始状态稳定的升到工作状态，因此使用了抛物线形启动曲线。 3 细分技术。步进电机细分技术是步进电机在运行情况下，转子的运动是一个衰减震 荡的过程，也就是转子在平衡位置作振幅不断衰减的来回震荡，它的震荡幅度与步进 电机的步距角有关，步距的角度越大则转子震动的幅度越大，所以可以减小步进电机 步距角来达到减小震荡幅度，例如四相八拍的步进电机步距角的方式，其步距角为单 拍步进电机的步距角的一半，但是也不能保证电机在比较苛刻的自然条件下达到所需 要的要求，所提提出了电路设计以实现细分技术。细分技术是指把步矩角减小，把步 进电机的每步细分到多步以达到步进电机更加均匀的转动和提高电机的分辨率，从而 得到步进电机平稳运行、较少震动，降低步进电机噪声等。 本文使用高性能细分驱动器s t 一2 h b 。s t 一2 h b 细分驱动器采用美国高性能专用微 步距电脑控制芯片，细分数可根据用户需求专门设计，开放式微电脑可根据用户要求 把控制功能设计到驱动器中，组成最小控制系统。该控制器适合驱动中小型的任何两 相或四相混合式步进电机。由于采用新型的双极性恒流斩波技术，使电机运行精度高， 振动小，噪声低，运行平稳。它的主要特点如下：电源电压不大于+ 4 0 v d c 。斩波频率 大于3 5 l ( h z 。输入信号与t t l 兼容。最大驱动电流2 a 相。可驱动两相或四相混合式 步迸电机。双极性恒流斩波方式。光电隔离信号输入。细分数可选：2 、4 、8 、1 6 、 3 2 、6 4 、1 2 8 或根据用户要求设计。驱动电流可由开关设定。外型尺寸：8 5 5 9 1 9 。 重量0 1l k g 。电气特性( t j = 2 5 ) 。输入电压+ 1 2 v 一+ 4 0 v ，典型值为+ 2 4 v 。输出相电 流1 0 、1 2 、1 7 、2 0 a 。信号逻辑输入电流1 0 m a 一2 5 m a 。下降沿脉冲时间大于5 u s 。 绝缘电阻大于5 0 0 m q 。表2 - 3 为电机细分选通设置电机细分由开关k 1 、k 2 、k 3 选择。 表2 - 3 步进电机驱动细分选择表 细分倍数 步数圈( 1 g 整步 s w ls w 2 s 舅3 l2 0 0o no no n 24 0 0 o n o no f f 48 0 0o no f fo n 81 6 0 0o no f fo f f 1 63 2 0 0 o f f o n o n 3 26 4 0 0 o f fo no f f 6 41 2 8 0 0o f fo f fo n 1 2 82 5 6 0 0 o f fo f f o f f 1 3 图21 1 为步进电机s t 一2 r i b 驱动器外观图 图2 1 l 步进电机细分驱动 图21 2 为步进电机驱动器s t 一2 h b 与控制器和电机电路连接图 23 全光谱光源 i 围 二i j 匝l 至竺 a 固 一2 - - i 二亟! ! ! 贮i 二二两 ；p 。 i 虹 。厂一 ”g 皇；4 7 。 嚣 圈21 2 电机驱动与控制器和电机的连接圈 本文采用0 s r a l fh l x 6 4 2 5 0g 4 的全光谱照明光源，由于其输出功率较大，光强较 强而且使用本实验的所需的全光诺要求，它是一个6 v 为供电电压的光源输出功率为 2 0 v ，是一种卤素灯泡。 2 4 光电器件的光谱特性测量结构 光谱特性测量仪的功能框图见图2 1 3 。首先将输入光经过衍射光栅单色仪经过衍 射光栅单色仪分辨出不同波长的光谱分量。在经过光电探测器将入射光不同波长的的 光信号进行光电转换，在经过放大和模数转换，最终对其光谱特性进行显示。 2 5 小结 图2 1 3 光谱分析仪的设计原理框图 本章为光电器件光谱特性测量原理的说明，采用了适合本系统要求的设计的光谱 测量方案，并详细介绍本设计的硬件结构和整体光谱测量的原理，通过本设计最终的 实验数据，以上设计符合光电器件的光谱测量精度与测量要求。 1 5 第三章光电器件光电特性测量原理 3 1 光电器件光电特性测量系统设计 3 1 1 光电池模拟电路采集硬件电路 光电池是一种将光信号转换为电信号器件，当在一定频率的光照射下，光电池释 放电子的现象。光电池表面是一种金属氧化物或者是一种半导体材料，具有光电转换 现象。当有光照射下，光电子会被吸收，当光电子的能量比较大时则会使这些材料的 电本身原子周围的电子摆脱原子的束缚，从而逃脱出原子的束缚也就是所说的光电效 应光。电池是一种具备很大面积的光电二极管阵列，主要作用是将光能转换为电能的 元器件，它广泛的应用于光电探测和光电传感技术中，以及现实生活中的多个方面。 在军事领域和高尖端的卫星领域应用也很广泛。它的内部结构图如图3 1 光电池结构 示意图 ( ) ( - ) 图3 1 光电池结构示意图 图3 2 为光电池的光信号转换为电信号的原理设计图，首先通过光电池将光信号 转换为电流信号，光电流的强弱正比于光照强度，再经过一级将电流信号转换为电压 信号。最终通过各自中控制与转换将此电压信号转换为可以显示的数据，通过处理显 示在液晶屏上。通过比较光电池的零偏和反偏的信号，可以得出光电池在饱和状态下 的饱和电流i 。 1 6 二5 v 图3 2 光电池光电转换原理图 图3 3 为光电池线性输出电路图中光电池输出电流随外部光通量变化而变化，通 过本电路把光电池的光电流变化转换成电压输出形式。图中q 1 为光电池，光电池接 收到光照时内部发生光信号转换成电流信号，通过电阻r 1 3 和r 5 ，从而在输出点产生 电压，使之输出电压信号，从而完成光电池的光信号转换成电信号，可以进行测量各 种所需的变量，本文就是利用此原理来测量光电池的光照特性，从而对光电池的光谱 信号和光电信号进行测试。 j r 图3 3 光电池信号采集电路 3 1 2 光电二极管模拟电路采集硬件电路 光电二极管v i 特性在无光照下与普通的二极管基本一样没有什么分别，但当 光电二极管接收到光照时，它的各种特性曲线随着v - i 坐标系得电流轴向下移，向下 移的幅度正比于光照强度。光电二极管的反向电流也是正比于光照度，当加载在光电 二极管上的反向电压达到一定值时，反向电流的大小与加载的电压没有关系。在当入 射光的光照度保持不变时，光电二极管表现出来的特性象一个恒流源，它的输出电压 是随着它的负载阻值变大而变大的。在光电二极管的特性曲线在第四象限时，它所 表现出来的光电特性为光照强度越大负载的阻值越小，则它的输出电流越大。光电二 1 7 极管在无光照时可以承受很高的反向电压一般最高可以达到5 0 伏。同时无光照时在 光电二极管出现反向电流，其输出的反向漏电流和按电流一般是小于l o o n a 。在光照 情况下，流经光电二极管的光电流是随着光照度的大小正比变化，而且呈现线性关系。 一般硅光电二极管的光谱特性的光谱范围在4 0 0 l l o o n m ，当达到最大峰值时的光波 长为8 8 0 。9 0 0 1 1 m 。下图3 4 为光电二极管信号采集电路照在光电二极管上的光通量 的变化引起输出的光电流的变化最终转化为输出的电压的变化图中级连的放大器电 路为光电二极管的电流变电压电路。图3 4 的原理为，当有光照在光电二极管上时， 光电二极管产生光电流，光电流听过电阻r 1 形成一个压差，再经过一级放大器，将 这个电压放大到a d 所允许范围内，最终进行测量和显示。如图3 4 为光电二极管的 模拟信号采集电路： e v 图3 4 光电二极管模拟信号采集电路 3 1 3 光敏电阻模拟电路采集硬件电路 光敏电阻是一种在光照情况下内部电导率随着光强变化而变化的一种现象，也可 以成为光导效应。光敏电阻是一种基于内光电效应的光电元器件，当发生这种光电效 应时，光敏电阻本身材料吸收能量使部分价电子迁移的现象，同时出现很多空穴，当 光敏电阻中的载流子增加，材料本身的阻值也随之变化。电导率变化如下： a c t | n , e u p 4 - n e l 。 ( 3 1 ) 式中e 为电荷电量，以：为电子的迁移率，血为电子浓度的改变，蜥为空穴的 迁移率，卸为空穴浓度的改变量。 当光敏电阻两端加上电压u 后，光电流为 1 8 ，。：丝础 “d 其中a 为与电流垂直的截面积，d 为电极间的距离下面介绍光敏电阻的 几种特性。首先在光照一定时，光敏电阻加载在两端的电压与光电流成线性关系，表 现出光电导特性。这种线性曲线经过零点，其斜率可以表现为光敏电阻的电阻值。光 敏电阻的材料主要是硫化物、锑化物、硒化物等半导体材料。所以它本身具备的主要 参量有暗电阻、峰值波长、亮点组、光谱范围等技术参数。图3 5 为光敏电阻恒压偏 置电路入射光的光通量的变化引起电流的变化从而使输出电压值变化因为恒压偏置 电路的最大特点是光敏电阻的灵敏度与光敏电阻值无关，因而互换性好，调整光敏电 阻时不影响仪器的精度。图3 5 种r t l 为光敏电阻，当有光照时光敏电阻的阻值发生 变化，通过一下电路使输出电压发生变化，从而达到测量光敏电阻阻值。 3 2 激光器及其驱动设计 3 2 1 激光器原理 图3 5 光敏电阻恒压偏置电路 半导体激光器简称l d 也称为二极管，上个世纪8 0 年代，物理科学发展到一个新 的阶段，半导体物理发展迅速，产生了很多新成果和新的技术和理论，采用量子唧 和应变量子s l 制，等新的结构原理，研发了b r a g g 发射器等新的半导体激光器技术， 同时也产生了很多新的技术，例如m o c v d 、m b e 、c b e 等晶体生长技术，生成了更加 好的量子q w 和应变量子s l - q w ，由此技术制造的激光器性能更加优良，转换效 率更加高效，传输功率也更加高效，寿命也更加长久。本文采用小功率激光器， 由于小功率激光器的性能优良，转换效率较高，可调谐以及波长可选( 例如6 7 0 n m 、 1 9 8 0 0 h m 、5 8 0 n m 等激光器) 这些激光器主要用于光通信光盘制作以及生活中的很多方 面。所以本文采用6 3 5 n m 的红光激光器，它本身电光转化效率高，体积小，输出功率 可调在o - 5 0 m w 完全适合本文所设计的要求，所以选择这个小功率激光器。它的技术 参数如下表所示，棒导体激光器的图片如表3 - 1 所示： 表3 - 1 红光半导体激光嚣的技术参数 波长b 3 5 腊 输功率l - s d c l sm 供电电 舻5 v 虻 1 作温度一1 0 + 4 0 c 发靛角n l f 细d 外型r 寸牡2 3 蕾 存储温度 2 0 c 6 0 c 光女模式 线近似6 0 度发散固焦连续输m 光学壹腔透镜 产品说叫优质进口光管，设计先进性能稳定w # ，寿k ，体积小巧精致，操作 方便 1 渡* 、r 寸、i 怍电、t 怍距离、输m 功率、光* 模式等参数m 以改 变。 2 字线会有一定的弯曲度，3 度 3 自f 功丰不足根大连台近离使用 46 3 5 阻波长的产品在同等功率下亮度要强于6 5 0 n l 红光半导体激光嚣实物图如图36 所示： ； 幽3 6 红光半导体激光器 3 22 激光嚣电源驱动电路设计 本文所使用的激光电源驱动为可变恒流潭，可变恒流潭为一种激光器驱动电源， 它输出稳定的可变的恒电流，对激光器的恒流源的设计要求有比较很严格的规范，因 此是本恒流电源主要所需解决的问题。以下为可变恒流源的原理以及所需要的解决方 案。下图为一种带反馈的恒流源原理结构，这种恒流源原理主要为输出稳定，电源 纹波系数较低并且输出电流恒定，v - 为输入偏执电压，f 为反馈电路，v o 为电压输出。 + 图3 7 负反馈网络框图 反馈电路是一种将放大器的输出信号按一定的规律从新分配到放大器的输入端 的过程。主要有电压并联反馈、电流并联反馈、电压串联反馈、电流串联反馈等反馈 电路。引入的反馈主要是用来将反馈信号与输入信号进行连接，从而减弱输入信号被 称作负反馈。利用这种反馈可以改变放大电路的很多电路性能，可以自动调节输出特 性不稳定所带来的很多不稳定因素。本文所使用的反馈电路主要有恒流源网络h 订组 成，增加反馈网络f 进行反馈输出，从而调节电路时电路输出更加稳定。如上图所示 a 是无反馈时反馈放大电路的放大倍数； 和分别是反馈网络的输出和输入； l ， f = 兰i 是反馈系数 r o 彳，是加入反馈网络后的放大倍数； v o = ( k 一以) a = k a k 。彳f ( 3 2 ) v o ( 1 + 肛) = k a 4 一v k o 一面a ( 3 3 ) ( 3 4 ) 通过公式所示，经过反馈后的放大器放大倍数被改为三一所以当ii + a f i 1 时即 l + 月， 之小于l ，所以此时放大电路的放大倍数小于l ，所以这是一种负反馈。当 l + 月t i + a f l i 时公式可以变化为a ，一二， 。 ，。 所以从这个公式所示放大器网络的放大倍数主要取决于反馈网络f 而且与放大器没有 多大关系，所以只要反馈网络很稳定，输出就很稳定，所以本文采取负反馈网络，从 而能达到恒流源的稳定输出，而不受放大器以及多种元器件的干扰从而达到稳定输 出。电流控制原理由于本文所需的是可变恒流源，所以需要电流反馈作为反馈网络 h 引，从而使电流输出稳定和所需的输出电流。主要原理图如下图3 8 所示 基 图3 8 电流控制原理图 基准电压k 为放大器数4 的输入端，主要控制输出电流大小，所以输入端的电大必须 保持稳定的改变，它与运算放大器的同相端相连，通过网络最终电流在取样电阻产生 电压，此电压与反馈网络相连与运算放大器的反相输入端相连并且与运算放大器的同 相输入端进行比较进行调整，从而对输出电流进行调整，使整个系统在负反馈上动态 自动调整是指输出稳定，使整个放大网络保持平衡状态，达到恒流目的，