发光物自动跟踪电路设计

《现代电子技术及应用》课程大作业

发光物自动跟踪电路设计

姓名张欣怡

班级光信1501

学号2015010483

二0一七年十二月22日

发光物自动跟踪弓路

实验要求

发光物，自动探测光斑位置并控制云台跟踪

探测光斑位置.；抗其他光源干扰；控制云台(电机)

实验目的和意义

1-.理解各种通用、专用集成运算放大器的工作原理、特性，能够利用这些集成芯片实现交

直流信号放大、运算等各种处理：

2、能够实现电信号转换；

3、掌握调制解调技术的原理、特性和实现方法并能将之应用在实际系统中。

实验原理和实现方法

一、总体介绍

(1)激光光源部分：

555实现方波信号，调制激光光源。

(2)追踪器部分：

由光电探测原理可知，每个象限输出的电信号(电流)强弱与该象限探测器光敏面接收到的光

能量多少是一致的。但严格来讲，分布在四角限上的光斑能量是不均匀的，通常是呈高斯分

布的，要计算每个象限的光能量必须用积分的方法。但在要求不太高的情况下可近似的把光

斑的分布看成是均匀的，若光束光斑的光强度是均匀分布的，则落到每个象限中的光能量与

该象限中的光斑大小是成正比例的。

通过四象限探测器测量出由激光束的光斑位置变化引起的电流变化，得到光斑的两个方向的

偏移量，从而来确定光斑中心位置。

人=_(Ai+/d)—(Ib+L)

(la+Ib+L+ld)

_Ea+E「(Eb+E)=S“+Sa-(Sb+Sc)⑴

~(Eg+Eb+Ec+3)-(Sa+Sb+S’+Sd)

△ylL+lbXML)

(I计Ib+1c+1d)

=E°+Eb-(EdEc)=SQ+SH)⑵

一(E.+Eb+Ec+Ed)一，SdSb+Sc+Sd)

图i,坐标计算公式

利用LM324实现流压转换，AD633实现解调，741实现滤波、加(减)法器，AD538实现

除法器

(3)云台部分：

功放是将AD538除法器的输出放大，用来驱动电机的模块。放大倍数G是由电阻R1和R2

的比值决定的，即G=3

设计思路如下图所示：

5

5制

5zr

方->台

波

图2,设计思路

二、分模块介绍

注：本实验设计为两象限追踪系统实现了水平方向上发光物追踪功能

1、光源调制

a、电路分析

选用555定时器产生方波，利用三极管可作为开关的特性设计电路

555定时器在之前的实验中有过详细说明在此不过多介绍

下面介绍一下三极管作为开关的特性如下图3(a)、(b)所示

图3(a),截止态

+展

图3（b）,饱和态

如上图所示，截止态如同断路（关），饱和态如同通路（开），即当方波输入电压为。时，三

极管开关关闭。

b、电路设计（二极管代替激光光源）

555方波部分：

图4,方波信号发生电路

激光光源部分：

用信号发生器代替了555方波发生器，具体电路如下图所示

XSC1

XFG1

图5,激光光源部分（二极管代替）

2、流压转换

a、电路分析

物理量的感测在一般应用中，经常使用各类传感器将位移、角度、压力、与流量等物理量转

换为电流或电压信号，之后再由量测此电压电流信号间接推算出物理量变化，以达成感测、

控制的目的。但有时传感器所输出的电压电流信号可能丰常微小，以致信号处理时难以察觉

其间的变化，故需要以放大器进行信号放大以顺利测得电流电压信号，而放大器所能达成的

工作不仅是放大信号而已，尚能应用于缓冲隔离、准位转换、阻抗匹配、以及将电压转换为

电流或电流转换为电压等用途。

利用741运算放大器可将电流转换为电压的用途，设计流压转换电路，线路接法如下图所示,

其输出电压Vo二-IRO

K

图6,流压转换电路

一共有两个输入电流，而741属于单运算放大器，里面就一个运算放大器单元，要将它们全部

转换为电压需要2个741芯片，LM324属于四运放，集成程度比较高，里面包含4个基本运

算放大器单元，所以选用LM324设计实验电路，其引脚连接图如下所示

管脚连接图

辘出1E

瑜入1

vcc叵

稣2｛二

I叵

输出2[7

图7,LM324管脚连接图

图8,流压转换

3、解调

a、电路分析

方波信号作为载波信号，调制就是将待调制信号与载波信号相乘，得到一个具有一定强度，

不容易受到其他信号影响的复合信号。

然后将调制信号再乘以载波信号，会得到

Uo=Umcos3Qt+7Utncos(2<«>c-Q)t4-iUmcos(2(JC+Q)

244

也就是有个原函数和两个高频杂波信号。所以将两次相乘结果通过一个低通滤波器，将高频

杂波过滤掉，留下的就是原信号。

乘法器将两输入信号相乘，使输出信号被载波保护，让弱信号不会再传输过程中受到干扰。

Figure13.ConnectionsforSquaring

图9,乘法器电路设计图

b、电路设计

XSC1

图10,解调电路

4、漉波电路

a、电路分析

1、低通滤波器：它允许信号中的低频或直流分量通过，抑制高频分量或干扰和噪声。

2、有源滤波器：由无源元件（一般用R和C）和有源器件（如集成运算放大器）组成。

3、截止频率：若滤波器在通频带内的增益为K,则当其博益下降到（即下降了3dB）时所对应

的频率被称为截止频率。对应本设计，下降到截止频率200Hz时增益下降了3dB。

4、频率特性曲线：

图11,低通滤波器频率特性曲线

b、电路设计

图12,滤波器

5、加减比例运算（以四路信号为例）

a、电路分析

经过I/V转换后输出的四珞电压信号：经过加法和减法运算得到

匕=(%+%)-(&+%)

哙=(七2+%)-(4+电)

匕〃=Ax(友+VX2+/+%)

图13,运算公式

其中kWO。

运算后的四路电压和％。应为正值，并且为了除法电路运算的精确应该在2.5V,如果不在此

范围内，需要改变前级放大电路的增益。具体电路图如图4、图5、图6所示。

图14,减法电路Vx

R7

UIB

^x2-VybVx1A\2

X

IRI2

T

图16,加法电路Vail

b、电路设计

由于设计电路仅涉及到水平方向上的计算，只需要两信号作加减即可

减法器：

................................XMM7

-12V3

图17,减江器电路

加法器:

图18,加法器电路

6、除法电路

a、电路分析

根据上述运算可以得到：

vV

x=—xfy=—y

图19,运算公式

通过改变k值，可以调节分母电压的大小。我们采用AD538除法器，进行上面的除法运算。

AD538是美国ADI公司出品的实时模拟计算器件能提供精确的模拟乘、除和制运算功能。它

具有低输入/输出偏移电压和优异的线性性能，使其可在一个非常宽的输入动态范围内进行

精确的运算。乘/除运算误差控制在输入幅值的0.25%的范围之内。通常输出偏移小于或等

于100UV。由于器件具有400kHz带宽，进一步加强了实时模拟信号的处理能力。它的电源

范围从士4.5到士18V,允许选择+5V、士12V和士15V标准电压作为工作时的电源电压。

图7,是AD538的功能原理图。

图20,AD538功能原理图

由图可以看出，AD538内部主要是由对数和指数模块构成。给2脚和15脚施加输入电压时,

3脚的输出表达式为：

运算公式

k=l.3806x10之3J/K,q=l.60219x10。19C,T为热力学温度。给12脚和10脚施加输入

电压时，8脚的输出表达式为：

V。=A*）图22运算公式

把3脚和12脚连接起来,8脚输出电压:

V

v0=vr工

(匕v1图23,运算公式

芯片内部带有+2V或+10V的独立的电压参考，当按照图3.10连接时，5脚输出为+2V的标

准电压，通过调节电位器可以使4脚输ZE+2V到+10.2V之间变化。利用AD538的上述功

能，设计的水平和垂直两个方向带有偏置调零的两象限除法器如图11所示。

W

-

IX

1Y±

1Z±

VX

VY4

VZ

*厂

y一R24I

之IOK

PGND

SGND；

M______VYy

A15538AD

.

心」

I24K图24(a),垂直方向

图24(b),水平方向

电路设计：

因模拟软件中没有AD538芯片，所以没有设计电路图，根据下图实际连接的电路

NUMERATORDENOMINATOR

OPTIONALVzVx

ZOFFSETTRIMQQ

v。「。闿

FORViV

：35kQxz

回A

：：35kfl

可D

—

3Vx

SIGNAL

♦2V叵

PWRV

—,GND

♦15V-<-[£

IN4148

OUTPUTO-------------------------

R2R1

10kQ12.4kn।

—vy»-------w.---------19

ZERO

ADJUST

Figure14.Two-QuadrantDivisionwithWVScaling

图25,除法器电路

7、云台

电路设计

图25,云台电路

8、整体电路

a、电路分析

激光报靶电路中，有一四象限探测静，其原理是，在四象限探测器上有很多光敏

电阻等，当四象限探测器探测到电路时，会发出微弱的电流，经过图中的四个运

算放大器组成的IT转换电路，实现微弱电流转成可用电压值，随后电压参数经

过后面三个运算放大器组成的加法电路、加减法电路，得到的值经过后面的除法

器进行归一化得到最后的X\Y的参数。(A+B)-(C+D)和A+B+C+D的运算机理为:

A、B、C、D,四个象限的值(A+B)-(C+D),AB在上CD在下，相减位Y的值即

为上下的值(分正负)，(A+D)-(C+B)即为左右X的值(分正负)最后通过

归一化处理，得到电压值。

b、电路设计

三、实验过程

注：红线接+15V,白线接-15V,黑线接地。

1、光源调制

电路安装：

图27,方波信号发生器

调试电路:

图27,示波器波形

产生1Hz方波，该方波将用于调制激光发光

图28,调制激光光源发光

由方波驱动激光光源发光，但由于方波频率过大，人眼无法判定二极管闪烁仅观察到激光长

亮。

2、I/U转换

电路安装：

芯片管脚图、使用条件和要求：

管脚连接图

输出1E可输出4

叵可

输入1输入4

巨回

vcc[1可V£E.Gnd

一回

燧入2输入3

叵

输出2叵U镂出3

图29-1,LM324管脚图图29-2,LM324实物图

图30,IU转换

调试电路：

实验数据：（A表示为激光照射四象限探测器A区域时经流压转换后的电流值）

1234

A2.1A2.5A3A2.7A

B1.4A1.7A2.4A2.2A

表1,流压转换实验数据

3、解调+滤波

电路安装：

kJ

£xi+vs4

X2W3-

AD633JN

五Y1ZH-

-[TY2-VsZb

图3l,633引脚图

555引脚图在之前的实验中做过说明，在此不多做介绍

图32,解调滤波实物

调试电路:

图33,滤波后波形

截止频率约为20Hz

4、加法器

电路安装：

芯片管脚图、使用条件和要求：

用到的UA741芯片的管脚组如图19所示，其中UA741芯片的1脚和5脚为调零端，2脚为

反向端，3脚为同相端，4脚接负电源，7脚接正电源，6脚为输出端，8脚悬空。实物如图

20所示：

图34-1,UA741芯片管脚图图342UA741实物图

■■■■—】■■

1■■■B•

图35,加法器

调试电路:

123456

输入AIVIVIV2V3V4V

输入BIV2V3V4V4V4V

输出A+B2V3V3V6V7V8V

表2,加法器实验数据

5、减法器

电路安装：

芯片管脚图、使用条件和要求同加法器

图36,减法器

调试电路:

123456

输入A6V6V6V5V4V3V

输入B5V4V3V6V6V6V

输出A-BIV2V3V-IV-2V-3V

表3,