光照度计设计仿真与研究.doc

西安邮电学院生 产 实 习 报 告 书系部名称：电子工程学院光电子技术系学生姓名：张璐(26)专业名称：光信息科学与技术班 级：光信息0904时间：2013年02月25日至2013年03月08日光照度计设计仿真与制作一、设计目的：1、利用硅光电池将接收到的光信号转换成电信号；2、利用AD转换器ICL7107将输入的模拟电压信号转化成数字信号；3、通过LED共阳极数码管将该输出值直接显示，由此构成数字照度计。二、设计思路：1、照度(Luminosity)是指物体被照面单位时间内所接受的光通量，采用单位面积所接受的光通量来表示，表示单位为勒克斯(Lux,lx)；2、数字照度计是用于测量被照面上的光照度的仪器，是光学测量中用得最多的仪器之一。 本设计的照度计由光度头和读数显示器两部分 。（一）、光度头的设计： 光度头又称光探头，主要是用于接受光信号，然后通过硅光电池把它转化成电信号，再通过分压电路转化成AD转化器ICL7107可接受的信号。光度头由硅光电池、电阻和滑动变阻器组成，如图l所示。其中、，、为换档及反馈电阻，为可调电阻，为运算放大器，可调电阻外接数字电压表：（二）、显示器的设计： 显示器是把模拟信号转化成数字信号，并通过数码管显示出相应的照度值。主要由AD转化器ICL7107，共阳极数码管构成。如上图。其中：和构成输入端阻容滤波电路，和构成分压电路，和 分别是积分电阻和积分电容，和分别为基准电容和自动调零电容，分别为振荡电阻和电容。三、器件清单：名称型号数量（个）硅光电池1A/D芯片ICL71071运放LF411cn1电阻24k1120k133011M1470K1可变电阻器500K1100K1200K1电容100PF1CBB电容0.01uF10.1 Uf11 uF10.047 uF10.22 uF1共阳极的数码管4四、设计原理：该数字照度计利用硅光电池将接收到的光信号转换成电信号，再通过72双积分型AD转换器 ICL7107对输入的模拟电压、参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变成与之成正比的时间间隔， 然后再利用脉冲时间间隔，进而得出相应的数字型输出，最后由LED共阳极数码管将该输出直接显示。 （一）、硅光电池光电信号接收端的工作原理 ：图3是光电池的工作原理框图，光电池把接收到的光信号转变为与之成正比的电流信号，再经IV转换模块把光电流信号转换成与之成正比的电压信号。 当发送的光信号被正弦信号调制时，则光电池输出电压信号中将包含正弦信号，据此可通过示波器测定光电池的频率响应特性。（二）、 双积分型AD转换器ICL7107的工作原理 ：ICL7107的原理框图如下图，它包括积分器、比较器、计数器、控制逻辑和时钟信号源。1、积分器是AD转换器的心脏，在一个测量周期内，积分器先后对输入信号电压和基准电压进行两次积分； 2、比较器将积分器的输出信号与零电平进行比较， 比较的结果作为数字电路的控制信号； 3、时钟信号源的周期t作为测量时间间隔的标准时间。它是由内部的两个反向器以及外部的、组成的，其振荡周期t=22RC； 4、计数器对反向积分过程的时钟脉冲进行计数。控制逻辑包括分频器、译码器、相位驱动器、控制器和锁存器。分频器用来对时钟脉冲逐渐分频，得到所需的计数脉冲工和共阳极LED数码管公共电极所需的方波 信号fco ；5、译码器为BCD-7段译码器，将计数器的BCD码 译成LED数码管七段笔画组成数字的相应编码；6、驱动器是将译码器输出的对应于共阳极数码管七 段笔画的逻辑电平变成驱动相应笔画的方渡； 7、控制器的作用有：一是识别积分器的工作状态， 适时发出控制信号，使各模拟开关接通或断开，AD 转换器能循环进行；二是识别输入电压极性，控制 LED数码管的负号显示；三是当输入电压超量限时发出溢出信号，使千位显示“l”，其余码全部熄灭； 8、锁存器用来存放AD转换的结果，锁存器的输出 经译码器译码后驱动LED。它的每个测量周期包括自动调零(AZ)、信号积分(1NT)和反向积分(DE)3个阶段。 第一阶段：自动调零阶段。转换开始前(转换控制信号V。=o)，先将计时器清零，并接通开关，使积分电容C完全放电。 第二阶段：信号积分。令开关S，合到输入信号 VIN一侧，积分器对V。N进行固定时间丁，的积分，积分结果为 上式说明，在T1固定条件下V0与Vin成正比。第三阶段：反向积分。令开关S，转至参考电压V。EF一侧，积分器反向积分。如果积分器的输出电压上升至零时，所经过的积分时间为T2，则可得 故有：可见，反向积分到V0=0的这段时间T2与N成 正比。时钟脉冲的周期为R，计数器在T2时间内计数值为N，T2=NTc，则有 分析可知：T1、Tc、VREF均固定不变，计数值N仅 与Vin成正比，实现了模拟量到数字量的转变。 下面介绍AD转化过程的时间分配。假设时钟 脉冲频率为40 kHz，每个周期为4 000 ，如图5所示，每个测量周期中3个阶段工作自动循环。 各阶段时间分配如下：信号积分时间T1用 1 000Tc；信号反向积分时间T2用O2 000Tc，这段时间的长短是由Vm的大小决定；自动调零时间To 用l 000 3 000Tc。 从上面的分析可知，T1是固定不变的，T2随V1N的 大小而改变。选基准电压VREF=1000 mV，由式(3)，得：Vin=01 N(mV)。 满量程时N=2 000，同样由上式可导出满量程时 Vin与基准电压的关系为Vin=2VnEF。 为了提高仪表的抗干扰能力，通常选定的采样时间T1为工频周期的整数倍。我国采用50 Hz交流电 网，其周期为20 ms，应选Tl=nx 20 ms，n=1，2， 3，n越大，对串模干扰的抑制能力越强，但n变化越大，AD转换的时间越长。因此，一般取T1=100 ms。由Tc=22RC可知，当振荡周期T0为定值时，阻容元件的选取并不唯一，只要满足要求即可。 五、实验步骤：1、按照光度头和显示器的电路连接电路图；2、调试及测试； （1）、光度头的调试； （2）、数字电压表的调试 ；（3）、照度计的定标 。六、心得体会：在这次实验中，首先要设计好电路图，然后仔细连接号电路图，对自己的排版有一个比较规整布局。然后就是连接数码管，其实在连接数码管时，首先要弄清楚数码管的管脚布局，再细心连电路图。接下来就是调试电路部分，应该搞清楚调试软件使用，再把自己的电路图好好调试。在调试中可能会出现一些小问题，导致此次实验结果出现问题，连接好的电路会不出现预计的结果。所以，在这次实验中，我们应该按照老师的安排先设计好电路图，然后仿真结果，再连接电路图。经过这次实验，我获得了很多的知识，可以说是获益匪浅。从刚开始的一无所知、无从下手，到后来的实验结果完美出现，其中有很多的问题的一一解决。使我慢慢的掌握了这次实验的主要内容以及必须掌握的实验技能，并且练就了自己的细心加耐心。所以，这次实验给我带来了很多的知识以及乐趣，使我懂得如何解决实验中的问题，如何耐心的去做每一件事情。总之，通过这次实验我获得很好的经验以及知识，真是获益匪浅。西安邮电学院 电子工程 学院 生产实习过程考核表学生姓名 张璐班级/学号 光信息0904/05093133承担任务实验室（单位）3#实验楼246所在部门光电子技术系实施时间2013年02月25日 2013年03月08日具体内容第一周学习数字照度计的工作原理，设计并画出电路图，进行仿真。第二周按照设计好的电路图，连接电路板并进行测试。指导教师（师傅）姓名职务或职称指导教师（师傅）对学生的评价学习态度 认真 一般 不认真学习纪律 全勤 偶尔缺勤 经常缺勤实践能力 很强 一般 较差指导教师（师傅）对学生专业知识或社会实践能力等情况的意见指导教师（师傅）签字 年 月 日 西安邮电学院 电子工程 学院 生产实习 成绩鉴定表学生姓名张璐 班级/学号光信息0904/05093133 进行时间 2013年02月25日 2013 年03月08日成绩鉴定学习内容