光電信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)報告

1、光電信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)姓名：XXX 班級：XXX學(xué)號：XXX指導(dǎo)老師：XXXX 實(shí)驗(yàn)一 阿貝原則實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 熟悉阿貝原則在光學(xué)測長儀中的應(yīng)用。二、 基本原理1. 阿貝比較原則 萬能工具顯微鏡結(jié)構(gòu)及實(shí)物圖所示。萬能工具顯微鏡的標(biāo)準(zhǔn)件軸線與被測件軸線不在一條直線上，而處于平行狀況。產(chǎn)生的阿貝誤差如下： 一階誤差，即阿貝誤差2結(jié)論 1）只有當(dāng)導(dǎo)軌存在不直度誤差，且標(biāo)準(zhǔn)件與被測件軸線不重合才產(chǎn)生阿貝誤差（一階誤差）。 2）阿貝誤差按垂直面、水平面分別計算。 3）在違反阿貝原則時，測量長度為的工件所引起的阿貝誤差是總阿貝誤差的。 4）為了避免產(chǎn)生阿貝誤差，在測量長度時，標(biāo)準(zhǔn)件軸線應(yīng)安置在被測件軸線

2、的延長線上（阿貝原則）。 5）滿足阿貝原則的系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)龐大。3.阿貝測長儀阿貝測長儀中，標(biāo)準(zhǔn)件軸線與被測件軸線為串聯(lián)形式，無阿貝誤差，為二階誤差，計算形式如下：三、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 萬能工具顯微鏡進(jìn)行測長實(shí)驗(yàn)1）儀器：萬能工具顯微鏡，精度：1微米。用1元的硬幣，分別測它們的直徑，用數(shù)字式計量光柵讀數(shù)及傳統(tǒng)的目視法讀數(shù)法。每個對象測10次，求算數(shù)平均值和均方根值。2）實(shí)驗(yàn)步驟：瞄準(zhǔn)被測物體一端，在讀數(shù)裝置上讀一數(shù)；瞄準(zhǔn)被測物體另一端，在讀數(shù)裝置上再度一數(shù)（精度1微米）；兩次讀數(shù)之差即為物體長度。四、 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)次數(shù)12345678910左側(cè)/mm-12.665-12.665-12.665-12.66

3、6-12.666-12.664-12.665-12.666-12.653-12.662右側(cè)/mm8.6918.6998.7018.6998.7008.6998.6998.7008.6848.689直徑/mm20.35620.36420.36620.36520.36620.36320.36420.36620.33720.351五、 數(shù)據(jù)處理計算平均直徑：D=11020.356+20.364+20.366+20.365+20.366+20.363+20.364+20.366+20.337+20.351=20.360mm計算均方根值：x=110(20.3562+20.3542+20.3652+20.

4、3662+20.3662+20.3632+20.3642+20.3662+20.3512+20.3372)=20.360mm六、 實(shí)驗(yàn)小結(jié) 通過這次實(shí)驗(yàn)，理解了阿貝原理以及產(chǎn)生阿貝誤差的原因，初步使用萬能工具顯微鏡，對阿貝原理和阿貝誤差產(chǎn)生原因有了較為深刻的理解，同時熟悉了阿貝原則在光學(xué)測長儀中的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)二 激光平面干涉儀實(shí)驗(yàn)一、 基本原理 儀器：PG15-J4型激光平面干涉儀1臺 內(nèi)容：玻璃材料的平面度測量 精度：100nm激光平面儀原理圖儀器結(jié)構(gòu) 平面干涉儀基于雙光束等厚干涉原理進(jìn)行精密觀測。如圖3.1所示，圖中s是擴(kuò)展光源，位于準(zhǔn)直透鏡L1的前焦面上，發(fā)出的光束經(jīng)透鏡L1準(zhǔn)直后射向玻璃

5、片M，再從玻璃片反射垂直投射到楔形平板G上。入射光束在楔形平板下表面的反射光透過平板上表面和玻璃片反射向L2.按照確定定域面的作圖法，可知定域面在楔形平板內(nèi)部的BB的位置。如果平板不是太厚，且平板兩表面的楔角不是太大時，定域面非常接近平板下表面，這樣如調(diào)節(jié)顯微鏡L2對準(zhǔn)平板下表面，就可在顯微鏡像平面E上觀察到楔形平板產(chǎn)生的等厚條紋。 平面干涉儀結(jié)構(gòu)如圖3.2所示。由組合星點(diǎn)G1發(fā)出的單色光經(jīng)棱鏡G2后，投向主鏡表面折射為平行光后，射向主鏡下表面（A面）及被測光學(xué)表面，A面和被測光學(xué)平面反射回來的光重疊相干后，經(jīng)棱鏡G2反射，進(jìn)入接收件。星點(diǎn)可由激光管G5、棱鏡G6、光源強(qiáng)度調(diào)節(jié)發(fā)散鏡G7組成。

6、接收件可以由人眼G10，成像物鏡G15和測微目鏡G11，或由分光棱鏡G12、可動小孔G13和攝像頭G14組成的攝像。二、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.玻璃材料的平面度測量。1） 測量局部誤差 2） 測量整個面形誤差（用） 光圈數(shù) 不足一個光圈數(shù)平面度測量2.實(shí)驗(yàn)步驟： 參考圖3.1和3.2，1）移開成像物鏡G15和測微目鏡G11，旋轉(zhuǎn)調(diào)整左右螺旋8，使平板繞水平面的橫軸或縱軸微小擺動，出瞳S2繞S1轉(zhuǎn)動直到S2和S1接近重合。2）裝上成像物鏡G15和測微目鏡G11，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)調(diào)整左右螺旋8，直到G11視場中干涉條紋清楚。3）測量e和H，計算平面度和粗糙度。三、 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)起始位置（mm）He對準(zhǔn)位置（mm）距離（

7、mm）對準(zhǔn)位置（mm）距離（mm）0.7331.2050.4721.7811.048四、 數(shù)據(jù)處理局部誤差：1=He*2=142.942nm 面形誤差：2=N*2=31508N五、 實(shí)驗(yàn)小結(jié) 在這次實(shí)驗(yàn)中，我對激光干涉儀的基本結(jié)構(gòu)和操作方法有了了解，由直接觀察曲面上的條紋分布，可以粗略地判斷不平整度。導(dǎo)致H和e的測量都有很大誤差的原因是實(shí)驗(yàn)中干涉形成的條紋較粗，影響最終實(shí)驗(yàn)精準(zhǔn)度。實(shí)驗(yàn)四 光電直讀光譜儀實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 掌握光柵式光譜儀分光的基本原理。2. 熟悉光電直讀光譜儀光電系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)。3. 掌握光電直讀光譜儀的基本光譜實(shí)驗(yàn)。二、 基本原理1. 平面衍射光柵的分光原理光柵方程式如

8、圖5.1所示，當(dāng)一束平行的復(fù)合光入射到光柵上，光柵能將它按波長在空間分解為光譜，這是由于多縫衍射和干涉的結(jié)果。光柵產(chǎn)生的光譜，其譜線的位置是由多縫衍射圖樣中的主極大條件決定的。相鄰兩刻線對應(yīng)的光線22和光線11的光程差為： （1）相干光束干涉極大值的條件為： （2）入射與出射光在光柵法線同側(cè)取”+”號，在異側(cè)取”-”號。 由式（1）和（2）可得相鄰兩光線干涉極大值的條件-光柵方程為： （3）式中 -入射角 -衍射角 -刻痕間距，通常稱為光柵常數(shù) -光譜級次， （3）式可改寫為： （4）2. 光柵式單色儀光學(xué)系統(tǒng)切爾尼-特納系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)原理圖光柵中心位于入射光線與出射光線的對稱軸上，兩個球面反射

9、鏡的焦距均為300mm，入射與出射狹縫位于球面鏡的焦面。平面反光鏡作為折光鏡將出射光線折轉(zhuǎn)90°，以使出縫與入縫90°的垂直分布，可以避免因?yàn)楣庠磁c光電接收器距離過勁=近而互相干擾。復(fù)色光源經(jīng)入射狹縫照明在球面鏡（一）上，此鏡將平行光投射到光柵上，光柵將復(fù)色光衍射分光，分成不同波長的平行光束以不同的衍射角投向球面鏡（二）上，此鏡將接收的平行光束聚焦在出縫處，從而得到一系列按波長排列的光譜。透過出縫射出的光束只是光譜寬度很窄的一束單色光。掃描機(jī)構(gòu)運(yùn)行時，光柵隨之旋轉(zhuǎn)，這樣就可以得到所選擇的單色光。光路中的光闌和擋光板起限制視場外多余光束的作用，以利于減少儀器的雜散光。3. C

10、CD作探測器的光電直讀光譜儀如圖所示：光譜儀結(jié)構(gòu)圖1.入射狹縫及調(diào)焦筒 2.平面反射鏡3.光柵旋轉(zhuǎn)手輪 4.波長計數(shù)器5.球面反射鏡（一） 6.球面反射鏡（二）7.CCD探測器 8.調(diào)焦螺母9調(diào)焦筒緊固螺釘線 10.濾光片（CB550）主要參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)波段范圍：330-1100nm焦距： 180mm平面光柵：300線/mm；閃耀波長:500nm 600線/mm；閃耀波長:500nm 1200線/mm；閃耀波長:500nm相對孔徑：D/f=1/3.8三、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 分析光柵式光電直讀光譜儀基本光學(xué)系統(tǒng)，繪制光路圖和機(jī)構(gòu)圖，記錄基本參數(shù)。2. 了解編VC+采集軟件，及計算機(jī)界面設(shè)計。3. 用

11、CCD探測器的光電直讀光譜儀進(jìn)行光源光譜采集。4. 用光電池做探測器的光電直讀光譜儀進(jìn)行光源采集。四、 實(shí)驗(yàn)步驟 進(jìn)行汞燈光譜實(shí)驗(yàn)開啟汞燈高壓電源，調(diào)整聚焦透鏡使光源像聚焦到調(diào)整光譜儀輸入狹縫，調(diào)整狹縫大小（大約0.5mm）使輸出電壓在合適范圍內(nèi)；用VC+采集汞燈光譜曲線。用數(shù)據(jù)文件記錄光譜曲線，根據(jù)光譜曲線確定汞燈峰值波長鈉燈特征譜線圖：可見光波段掃描，得到白熾燈光譜圖：五、 實(shí)驗(yàn)小結(jié) 從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，本實(shí)驗(yàn)中用光電直讀光譜儀觀察了汞燈、鈉燈、白熾燈的光譜圖，光電直讀光譜儀掃描結(jié)果比較直觀，但不是很精確，只能用來粗略觀察使用。實(shí)驗(yàn)五 光譜法物質(zhì)成分分析實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 熟悉用光電倍增管

12、作傳感器的光電直讀光譜儀的基本結(jié)構(gòu)和光學(xué)系統(tǒng)。2. 掌握光電直讀光譜儀的基本光譜實(shí)驗(yàn)。3. 了解光電倍增管傳感器的前置放大電路，單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換程序，以及串行通訊電路。4. 熟悉分光光度計基本原理。5. 掌握吸收光譜法檢測物質(zhì)濃度。二、 基本原理1. 平面衍射光柵分光原理2. 光電倍增管式光電直讀光譜儀（1） 原理圖光電直讀光譜儀（2） 主要技術(shù)參數(shù) 波長范圍 （可擴(kuò)展為） 光柵 平面光柵 ，刻線面積， 閃耀波長 （可按用戶要求選配其他規(guī)格的光柵） 波長準(zhǔn)確度 波長重復(fù)性 焦距 相對孔徑 分辨率 （光柵） 線色散倒數(shù) （） 雜散光 （He-Ne激光器，在處測定） 狹縫 寬度 連續(xù)可調(diào)整，高度共

13、分五檔 外形尺寸 長*寬*高 （主機(jī)） （控制器）3. 分光光度計如圖所示，分光光度計是in性物質(zhì)熒光光譜光強(qiáng)研究或物質(zhì)分子吸收光譜的研究。主要由光源（氘燈D、鎢燈W），發(fā)射單色器（光柵C、球面發(fā)射鏡、）、調(diào)制盤CH、光電倍增管B、試樣池及組成。分光光度計光學(xué)系統(tǒng)：分光光度計實(shí)物圖：為了實(shí)現(xiàn)線性化測量，光柵光譜儀中設(shè)計了正弦機(jī)構(gòu)。如圖所示光柵垂直定位于一個轉(zhuǎn)盤上，光柵、轉(zhuǎn)盤以及搖桿（正弦桿）連接成一體形成一個構(gòu)件，搖桿和絲桿組成正弦機(jī)構(gòu)。（1） 透過率測試原理：讓進(jìn)行波長掃描（保持同樣的波長接收），可得試樣在不同波長下的透過率曲線其中：為透過試樣的光強(qiáng)（探測器接收），為入射光強(qiáng)（探測器接收），

14、為透過率。（2） 吸收光譜測量原理：吸收光譜反映了物質(zhì)本質(zhì)特性，特定的氣體、液體物質(zhì)有特定的吸收光譜。吸收度的定義為：和的定義同上。用分光光度計測得和，自動計算可得吸收光度曲線，它就反映了物質(zhì)的吸收光譜。（3） 分光光度法檢測溶液濃度-朗伯比爾定律：式中為溶液濃度，、和的定義同上，為常數(shù)，它與入射光波長以及溶液的性質(zhì)、液層厚度和溫度有關(guān)，為溶液厚度。 分光光度計可測得溶液濃度，用相對法 已知標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度，再測得、就可算得。三、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 分析光柵式光電直讀光譜儀基本光學(xué)系統(tǒng)，繪制光路圖和機(jī)構(gòu)圖，記錄基本參數(shù)（焦距、主要尺寸）。2. 了解VC+采集軟件，以及計算機(jī)界面設(shè)計，包括：對話框、光譜

15、曲線顯示。3. 用雙光束紫外可見分光光度計進(jìn)行高錳酸鉀溶液濃度測定。1） 吸收光譜法檢測高錳酸鉀溶液濃度。 首先配置已知濃度的高錳酸鉀溶液，再配置另一濃度的高錳酸鉀溶液，用分光光度計獲得高錳酸鉀溶液的吸收度曲線，以確定最大吸光度的波長值（繪制下圖）。由于實(shí)驗(yàn)儀器故障，我們在進(jìn)行本實(shí)驗(yàn)時，無法得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，所以無實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，在此抱歉。四、實(shí)驗(yàn)小結(jié) 通過本次實(shí)驗(yàn)掌握了吸收光譜法檢測物質(zhì)濃度和光電直讀光譜儀的使用方法；但是由于實(shí)驗(yàn)儀器故障，需要返廠維修，我們無法得到正確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在黃鷹老師和陳晶田老師的同意下，我們跳過此實(shí)驗(yàn)，在此抱歉。實(shí)驗(yàn)六 光電透過率測量實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1. 學(xué)習(xí)典型光電系

16、統(tǒng)的設(shè)計方法2. 理解激光透過率測量的原理3. 設(shè)計激光透過率測量系統(tǒng)的各部分電路二、實(shí)驗(yàn)原理 透過率的測量是光學(xué)測量的一項(xiàng)重要內(nèi)容， 在物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析、 物體的化學(xué)性質(zhì)、 生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 一般情況下， 輻射源的輻射要受到中介媒質(zhì) （大氣， 光學(xué)系統(tǒng)元件等） 的吸收，輻射等，只有一部分輻射功率透過媒質(zhì)， 最后被探測器接受。 當(dāng)以平行輻射束在媒質(zhì)中傳播時， 若媒質(zhì)有吸收，則在傳播一段距離之后，在垂直于傳播方向單位面積上的輻射能通量將減少。 實(shí)驗(yàn)證明，對于在均勻吸收媒質(zhì)，如果不考慮散射時，被吸收的輻射能通量的相對值m 距離時， 輻射能通量就衰減為原來值得1/ e 。 除去吸收外，

17、散射也是輻射衰減原因之一。 設(shè)有一輻射能通量為f 的平行輻射束， 入射到包含許多微粒質(zhì)點(diǎn)的非均勻媒質(zhì)上， 由于媒質(zhì)內(nèi)微粒的散射而衰減的相對值 / dff 與通過的距離 dx 成正比，即： 將上式從 0 到 x 積分，得到在 x 處的輻射能通量： 該式稱為散射定律，式中 (0) f 為在 x=0 處的輻射功率，m 為散射系數(shù)，與吸收情況相似，媒質(zhì)散射也是輻射能通量按指數(shù)規(guī)律衰減。 如果傳播媒質(zhì)中同時存在吸收和散射，則輻射能通量為f 的入射輻射在傳播 x 距離之后，透過的輻射能通量為： 上式稱為比爾朗伯定律。式中，激光透過媒質(zhì)后的光強(qiáng)與透過前的光強(qiáng)的比值稱為透過率。 又稱透射率或透射系數(shù)。如前所述

18、，其計算公式為： 三、系統(tǒng)組成框圖與說明1.系統(tǒng)框圖 激光透過率測量系統(tǒng)得原理框圖如下：由經(jīng)過調(diào)制的激光器發(fā)出的一定波長的激光經(jīng)過介質(zhì)后衰減，光強(qiáng)減小，分別測量出激光通過介質(zhì)前后的光強(qiáng)， 即可測出激光通過此介質(zhì)的透過率。 光電傳感器將入射的光信號轉(zhuǎn)變成電信號，經(jīng)信號處理電路，如 IV 轉(zhuǎn)換電路、濾波電路、積分電路，將交流信號變成直流信號， 該直流信號的大小與入射到光電傳感器上的光信號的強(qiáng)度成正比， 通過測量該直流電流的大小即可測量出激光通過介質(zhì)的透過率。 1. 各部分電路說明 驅(qū)動與調(diào)制電路：為滿足半導(dǎo)體激光器對驅(qū)動信號的頻率要求，可以設(shè)計一個可調(diào)諧的方波發(fā)生器。方波發(fā)生頻率從 32KHZ 到

19、 125HZ.。方波發(fā)生器實(shí)際上是由以 NE 555 為核心的組成。 555 時基電路和 R16、R13、C12 等組成一個無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，它的振蕩頻率此多諧振蕩器產(chǎn)生的波形是具有一定占空比的方波，其中 將原理圖中的參數(shù)帶入公式可計算出從 555 產(chǎn)生的方波信號頻率為 32KHZ.。參考電路如下： 本實(shí)驗(yàn)中，半導(dǎo)體激光器的調(diào)制頻率采用 1KHz。 光電傳感 I/V 轉(zhuǎn)換電路： 光電傳感器采用光電池， 由于光電池采用無偏置電路， 輸出信號為電流，所以后續(xù)的電路采用低噪聲、低偏置電流放大器 CA3140 設(shè)計了如圖 3 所示的 I/V 轉(zhuǎn)換電路。由電路的虛短與虛斷特性計算可知： 帶通濾波電路:

20、本方案設(shè)計一個 2 階壓控電壓源帶通濾波器，要求中心頻率 f=1khz,增益Av =2，品質(zhì)因數(shù) Q=10，原理圖如圖所示。帶通濾波器的性能參數(shù)：積分電路：積分電路的作用是將輸入的交流信號變成直流信號，可以采用 AD536A 芯片。AD536A 能夠計算直流和交流信號的真有效值。在工作時，如果輸入的是幅值緩慢變化的直流信號，則它可以進(jìn)行精確的轉(zhuǎn)換。當(dāng)輸入直流信號的幅值變化較快時，由于直流誤差(平均誤差)和紋波誤差的存在，AD536A 的實(shí)際輸出值將與理想的輸出值略有差異。 當(dāng)采用如圖 5 所示的兩極濾波電路時， 在不增加穩(wěn)定時間的情況下， 可更有效地減小紋波。 對于恒定的紋波， 可以通過減小

21、C6、C4 和 C5 的值來進(jìn)一步縮短穩(wěn)定時間。 由于直流誤差與濾波器無關(guān)，而僅與 C6 有關(guān)，所以在選擇 C6 時，只要考慮其直流誤差即可。經(jīng)過 AD536 后輸出的是直流信號，與入射到光電傳感器上的光信號的強(qiáng)度成正比。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容： 1、 實(shí)驗(yàn)背景介紹和整體演示； 2、 學(xué)生自己動手調(diào)節(jié)光路，電路不作設(shè)計由已經(jīng)有的模塊來完成，記錄不同波片的透過率。 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)樣品0.90.790.50.320.10電壓（mV）897.6840.0516343114透過率0.89760.8400.5160.3430.114相對誤差/%0.266.33.27.214載物臺上無樣品時，V0=1000

22、mV誤差分析1.電阻阻值與標(biāo)稱值不相符；2.探測器受外界擾動；3.探測器的靈敏度有限。 實(shí)驗(yàn)小結(jié) 實(shí)驗(yàn)中測量了并計算樣品的光譜透過率，熟悉了光電探測系統(tǒng)的基本組成，掌握了透過率的測量原理及方法，并且基本完成了測量任務(wù)。實(shí)驗(yàn)七 攝像機(jī)原理實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1 理解攝像機(jī)的工作原理2 掌握視頻信號的構(gòu)成3 設(shè)計簡單的疊加圖形二、電視攝像原理 一幅圖像，根據(jù)人眼對細(xì)節(jié)分辨力有限的視覺特性，總可以看成是由許多小單元組成。在圖像處理系統(tǒng)中， 這些組成畫面的的細(xì)小單元稱為象素， 象素越小， 單位面積上的象素數(shù)目就越多，由其構(gòu)成的圖像就越清晰。 電視系統(tǒng)中， 把構(gòu)成一幅圖像的各象素傳送一遍稱為一個幀處理，

23、圖像的每幀由許多象素轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的電信號， 再分別用各個相應(yīng)信道把這些信號同時傳送出去， 接受端接收后又同時進(jìn)行轉(zhuǎn)換， 恢復(fù)出原發(fā)射的信號。 1.電視掃描 只有對一幅圖象進(jìn)行分解和同步掃描之后，才可能對這幅圖象進(jìn)行傳遞和再現(xiàn)。因此，一個完整的電視信號不但應(yīng)有反映象素亮度的視頻信號還應(yīng)有保證與攝象管內(nèi)電子束進(jìn)行同步掃描的復(fù)合同步信號，以及在掃描逆程時關(guān)閉電子束的復(fù)合消隱信號！ 根據(jù)人眼的生理特點(diǎn)，在不產(chǎn)生亮度閃爍感和保證有足夠的清晰度的情況下，掃描頻率應(yīng)該在 48Hz 以上， 掃描行數(shù)須在 500 以上，為了使圖象清晰度不下降，又要減小系統(tǒng)的帶寬， 人們又提出了隔行掃描技術(shù)！隔行掃描方式是將一幀（

24、一幅）電視圖象分成兩場進(jìn)行掃描。第一場掃出光柵的第 1，3，5，7等奇數(shù)行，稱為奇數(shù)場；第二場掃第 2，4，6，8等偶數(shù)行，稱為偶數(shù)場。每一幀圖象經(jīng)過兩場掃描，所有象素即可掃完，電視電子束的掃描軌跡也稱為掃描光柵，如上圖所示。下圖所示為行掃描電流波形及水平(行)掃描示意圖。場掃描鋸齒電流及場偏轉(zhuǎn)軌跡如上圖所示 2.亮度視頻信號 視頻輸出的電壓大小， 反映了一行中對應(yīng)象素的明暗程度， 視頻信號具有正負(fù)極性之分，對于正極性視頻信號， 象素越亮信號的幅度越大， 而對于負(fù)極性視頻信號則相反， 象素越亮，信號的幅度越小！ 3.復(fù)合消隱信號 電視系統(tǒng)中掃描正程期間傳送圖像信號，逆程期間不傳送圖像信號。電子

25、束逆程掃描在熒光屏上出現(xiàn)回掃線， 將對正程的圖像造成干擾， 影響圖像的清晰度。 因此需使電視機(jī)在行、場掃描逆程期間電子束截止，以消除行、場逆程回掃線，即實(shí)現(xiàn)消隱。行消隱脈沖的寬度一般為 12us,場消隱脈沖寬度一般為 25TH，如下圖： 4.復(fù)合同步信號 在電視系統(tǒng)中 為了使電視機(jī)重現(xiàn)的圖像與攝像機(jī)拍攝的圖像完全一致， 要求接收端與發(fā)送端的電子束掃描必須同步。如果收、發(fā)端掃描不同步，則重現(xiàn)的圖像變形或不穩(wěn)定，嚴(yán)重時圖像混亂不能正常收看。完整的同步信號如下： 視頻同步信號同步脈沖疊加在消隱脈沖之上，亮度視頻信號則是插在相連的消隱脈沖之間。5.開槽脈沖 從上述說明中， 我們可以看到場同步信號的寬度

26、遠(yuǎn)比行同步的要寬的多， 同時要比行周期還要寬， 這對于接受方獲取同步信號是很不利的。因此， 為了解決這個問題， 作到準(zhǔn)確同步， 我們將場同步信號開槽， 信號形成一系列的鋸齒形狀。 這些鋸齒脈沖中也包含有行同步信號，稱為“開槽脈沖”。6.均衡脈沖 另外， 電視視頻信號中的行場同步信號的提取是不同。 行同步信號是幅度比較法獲得的，通過限幅電路來獲得同步； 我們看到， 場同步信號脈寬比行的要大的多， 因此通過對符合同步信號進(jìn)行積分后，用比較電路就可以獲得場同步信號。 為了保證奇偶場的場同步積分后波形相同，在場間又引入均衡脈沖！ 三、電視信號圖象疊加原理視頻信號及時間疊加是視頻信號中混入一定形狀的圖形

27、或時間信號， 從而在屏幕的特定位置上與圖象信號同時進(jìn)行顯示的設(shè)備。 本實(shí)驗(yàn)是要在視頻信號中疊加一個十字線， 其基本原理如下： 首先提取視頻信號中行場同步信號， 然后對行、 場同步信號進(jìn)行計數(shù)， 產(chǎn)生一個與行場同步信號有穩(wěn)定關(guān)系的控制信號， 用這個控制信號控制模擬開關(guān)， 模擬開關(guān)的輸出就在 2 路輸入信號 （十字線與視頻信號） 間的快速切換， 由于人眼視覺的暫留效應(yīng)， 在顯示器屏幕上看起來就是一幅疊加了十字線的圖像！ 下面是電視信號疊加圖像的原理框圖： 普通攝像頭輸出的是復(fù)合視頻信號，因而首先必須進(jìn)行分離。 1、視頻信號同步分離電路（1）、LM1881 芯片簡介 為了使用方便， 我們使用集成視頻

28、信號同步分離電路 LM1881， 下面簡單說明 LM1881 的功能。 LM1881 視頻信號同步分離器能夠從幅度為 0.5V 到 2V 的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)同步 NTSC、PAL 和 SECA信號中提取定時信號，包括混合和場的同步脈沖定時和奇偶場信息。LM1881 的工作原理如下圖：LM1881 的使用十分方面，只需要直流 5V 到 12V 的單電源提供電壓，在使用的過程中，除了在 8 腳用電容耦合電源和在 6 腳用耦合電容設(shè)置電流外， 只僅僅需要在 2 腳耦合信號輸入耦合一個電容和在 6 腳設(shè)置一個電阻， 他們是用來確定內(nèi)部電流的； 如果輸入信號掃描頻率不是 15.734kHz，那么通過調(diào)節(jié) 6 腳可

29、以保證 LM1881 器件能夠使用。從該芯片中我們可以得到四種主要的同步信號： 混合同步信號 （包括場行掃描時間信息）， 場同步脈沖， 沖激或鉗位脈沖和奇偶輸出。 實(shí)驗(yàn)儀器電路板中使用集成芯片 LM1881 分離出行場同步信號的電路如下： LM1881 構(gòu)成的行場分離電路其中：hs 表示復(fù)合同步輸出vs 表示場同步輸出EVEN/ODD 表示奇偶場同步輸出2、控制電路 控制電路的功能是要計算出疊加圖像的場、行位置值。實(shí)際上使用計數(shù)器就可以實(shí)現(xiàn)。本實(shí)驗(yàn)儀使用大規(guī)?？删幊踢壿嬰娐?EPM7128SLC84 來實(shí)現(xiàn)對 hs、vs 信號的計數(shù)。 3、疊加圖形 模擬開關(guān)工作原理示意圖： 假設(shè)模擬開關(guān)有二路

30、輸入信號 VideoIn 1、VideoIn 2， 當(dāng)選擇信號 VideoSe 為高電平時，模擬開關(guān)輸出為 VideoIn 1，當(dāng) VideoSe 為低電平時，模擬開關(guān)輸出為 VideoIn 2。一、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1） 用示波器觀察復(fù)合視頻信號的波形。（2） 用示波器觀察場同步、行同步信號的波形并畫出這兩個波形圖。（3） 按動S1S5，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。（4）在實(shí)驗(yàn)儀的面包板上，用中小規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)在監(jiān)視屏幕上任一位置的疊加一橫線或豎線。具體實(shí)現(xiàn)過程：用兩片74HC161通過并行方式組成一個256進(jìn)制計數(shù)器，用此計數(shù)器對hs信號進(jìn)行計數(shù)，計數(shù)器的進(jìn)位輸出與CD4053的第10腳相連，通過控制CD4

31、053的輸出在原圖像和橫線的快速切換，就可以在顯示器上疊加一條橫線的圖像。二、實(shí)驗(yàn)小結(jié) 通過觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，理解了攝像機(jī)的工作原理和視頻信號的組成；掌握了視頻信號中疊加圖像、文字的原理和方法，并在視頻信號中疊加了時間和日期、十字線等圖像，基本完成實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。實(shí)驗(yàn)八 光譜透過率測試實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）了解單色儀結(jié)構(gòu)、原理和使用方法；進(jìn)一步了解鎖定放大器的工作原理以及其使用方法。（2）掌握單色儀的定標(biāo)方法及用單色儀測定濾光片光譜透過濾的方法。深入理解微弱信號檢測的原理。（3）學(xué)會設(shè)計檢測試樣的光譜透過率的方法。二、實(shí)驗(yàn)原理1. 單色儀工作原理光柵單色儀的光路結(jié)構(gòu)如圖1所示，入射到光柵單色儀的自然光或

32、復(fù)色光，經(jīng)入射狹縫S1后投射到球面反射鏡M1上。S1處于M1的聚焦面上。因此反射光為平行光束。這束平行光束經(jīng)閃耀光柵G分光后，分成不同波長的平行光束以不同的衍射角投向球面反射經(jīng)M2。球面鏡M2起照相物鏡的作用，這些平行光束經(jīng)過M2、M3反射后成像在他的聚焦面上，從而得到一系列的光譜。出射狹縫位于球面鏡M2的聚焦面上。根據(jù)它開啟的寬度大小，允許波長間隔非常狹窄的一部分光束射出狹縫S2。圖1 WDG30型光柵單色儀原理圖當(dāng)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)輪帶動光柵旋轉(zhuǎn)時，可以在狹縫S2處得到光譜純度高的不同波長的單色光束。這樣單色儀就起到了將入射的復(fù)色光分解成一系列獨(dú)立的單色光的作用。使用單色儀時首先要用標(biāo)準(zhǔn)光源對單色儀的

33、讀數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，本實(shí)驗(yàn)光源采用的是高壓汞燈，它有404.7nm、407.8nm、435.8nm、546.1nm、577nm、579.1nm幾條特征譜線，根據(jù)這些譜線可以對單色儀的讀數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。2. 鎖定放大器工作原理本實(shí)驗(yàn)選用南京大學(xué)生產(chǎn)的HB-211型精密雙相鎖定放大器，它是一種新型正交鎖定放大器，能精確地測量被淹沒在嗓聲、干擾背景中的微弱信號。該鎖定放大器采用了多點(diǎn)信號平均和相敏檢波聯(lián)合使用的技術(shù)，完成對被測信號同相分量和正交分量的檢測。并具有動態(tài)范圍大、漂移小等特點(diǎn)。儀器原理框圖如圖2所示，主要包括以下幾大部分：輸入信號部分、參考信號部分、信號處理部分、單片機(jī)功能控制及測量值顯示PC機(jī)接口

34、部分、電源及其它部分。圖2 HB-211型精密雙相鎖定放大器原理框圖（1）輸入信號通道輸入信號通道由低噪聲前置放大器，量程控制放大器，高通、低通濾波器三部分組成。高通、低通濾波器，是由運(yùn)算放大器和R,C組成的二階高通、低通濾波器，原理圖如圖3所示。由高通、低通濾波器組成帶通濾波器，根據(jù)待測信號的頻率選擇高通、低通濾波器的載止頻率，組成以待測信號頻率為中心的帶通特性，抑制干擾，提高儀器的過載能力和動態(tài)范圍。高通、低通濾波器通截止頻率可調(diào)。組成的濾波器只能放大被測信號及其頻率附近帶寬內(nèi)的噪聲，使遠(yuǎn)離信號頻率的噪聲或干擾被抑制，達(dá)到減小干擾或解除過載的目的。圖3 高通、低通濾波器原理圖（2）參考信號

35、通道鎖定放大器是利用相關(guān)接收原理，從噪聲或干擾背景中檢測微弱信號，因此，他必須要有一個參考信號通道。參考通道的作用是將外部輸入的參考信號(同步信號)，加工成信號處理部分要求的同頻方波。經(jīng)鎖相環(huán)和分頻器組成的倍頻電路。對輸入信號進(jìn)行倍頻(2f工作模式)或不倍頻(f工作模式)。f,2f工作模式根據(jù)測量要求，由單片機(jī)控制。f,2f電路的輸出去觸發(fā)寬帶相移電路。相移量0°,90°,180°,270°由單片機(jī)控制，調(diào)節(jié)面板旋轉(zhuǎn)能產(chǎn)生0100°的相移量，此相移器調(diào)節(jié)的相移量是移動方波的上升沿，用此上升沿去觸發(fā)由鎖相環(huán)構(gòu)成的倍頻和分頻電路。（3）信號處理部分

36、信號處理部分是本儀器的核心，對信號進(jìn)行多點(diǎn)平均和相關(guān)處理，從而能達(dá)到從噪聲或干擾背景中檢測信號，信號處理部分的原理框圖如圖4所示。圖4 信號處理部分原理框圖由信號通道輸出的信號，設(shè)為,為輸入信號的振幅，為相對于參考信號的相位差。此信號經(jīng)由參考信號通道輸出的f,2f方波控制的四點(diǎn)平均器進(jìn)行信號平均。多點(diǎn)信號平均器相當(dāng)于一個帶通放大器，帶通的中心頻率由參考方波的頻率決定，當(dāng)參考信號頻率發(fā)生變化時，此帶通放大器的中心頻率也隨著變化。因此，多點(diǎn)信號平均器相當(dāng)于一個跟蹤濾波器，能抑制干擾和噪聲。本儀器采用的多點(diǎn)信號平均器是由一個電阻和四個由開關(guān)控制的電容器組成，在一個周期內(nèi)四個開關(guān)輪流接通，即每一個電阻

37、電容組成的積分器在四分之一的周期內(nèi)對信號進(jìn)行積分。把與參考信號(觸發(fā)開關(guān)的同步信號)同頻率的正弦波在四個電容器上積分，在電容上的穩(wěn)態(tài)電壓分別為:式中為放大倍數(shù)，為輸入信號的幅值，為輸入信號相對于參考信號的相位差。多點(diǎn)信號平均器的輸出信號,通過放大后，與參考信號的調(diào)相方波進(jìn)行相敏檢波，相敏檢波器是開關(guān)式的相敏檢波器，對于控制開關(guān)的同頻信號相對于的相位差分別為0°、90°、180°、270°的輸出波形對應(yīng)的直流分量分別是: 、。是放大倍數(shù)。相敏檢波器的開關(guān)同步信號是參考信號輸出的調(diào)相方波。與的相位差分別為0°、90°、180°、

38、270°四個頻率為1024Hz的周期依次改變，每一種相位占四分之一周期，因此，相敏檢波器的同步開關(guān)用控制，輸出信號通過低通濾波和放大后，在多點(diǎn)信號平均器中進(jìn)行同步積累，由于模擬多點(diǎn)信號平均器的同步開關(guān)信號與調(diào)相同步開關(guān)是同一個1024Hz的信號控制的，能保證嚴(yán)格同步。如圖4所示。多點(diǎn)信號平均器的輸出波形，多點(diǎn)信號平均器內(nèi)四個電容上輪流輸出的電壓分別為、。其中K為總放大倍數(shù)。這波形中包含了被測信號的同相分量和正交分量。（4）同相、正交分量測量電路被測信號用直角坐標(biāo)分量表示，就需測量出同相分量和正交分量信號平均器的輸出信號，通過兩個電位器進(jìn)行分壓后，分成兩路，分別輸給同相分量通道和正交分

39、量通道的相敏檢波器(PSD)，兩通道的電路完全一樣，由相敏檢波器(PSD)和低通濾波器組成，所不同的正交PSD只響應(yīng)多點(diǎn)信號平均器輸出波形中的電壓，同相PSD只響應(yīng)電壓。通過低通濾波器后，最后的輸出的直流電壓為：同相分量，正交分量，很顯然，這兩個量是相敏的，可以作為矢量電壓表使用，或任何一路都可以作為單通道鎖定放大器使用。上述兩通道的低通濾波器的時間常數(shù)，通過單片機(jī)控制。本儀器的測量顯示是由A/D變換及單片機(jī)處理后。在液晶屏上同時顯示，兩分量。三、實(shí)驗(yàn)儀器鎖定放大器、光柵單色儀、溴燈、斬光器、高壓汞燈、會聚透鏡、濾光片等。鎖定放大器的使用1.信號輸入2.接地端子3.時間常數(shù)的選擇4.參考模式f

40、，2f的使用5.直角坐標(biāo)分量,和極坐標(biāo),的測量。二、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包擴(kuò)單色儀的定標(biāo)和光譜特性的測量。光譜特性的測量即利用寬光譜的鹵素?zé)翡鍩糇鞴庠?，分別測量探測器在直接接收單色儀出射光和透過被測樣品時的光譜響應(yīng)，從而求出幾種樣品的光譜透過率。2.實(shí)驗(yàn)步驟（1）校準(zhǔn)單色儀按圖5裝置擺好光路，調(diào)整透鏡盡量使得汞燈的光能聚焦在單色儀的入射狹縫，使透鏡高壓汞燈單色儀觀察出光狹縫圖5 單色儀校準(zhǔn)裝置示意圖更多的光能進(jìn)入單色儀。在單色儀出射狹縫從小到大旋轉(zhuǎn)光柵單色儀的轉(zhuǎn)輪，可以觀察到汞燈精細(xì)明亮的6條特征譜線，實(shí)際波長依次為404.7nm、407.8nm、435.8nm、546.1nm、5

41、77nm、579.1nm。記下每條譜線單色儀對應(yīng)的讀數(shù)，為消除誤差，測量23次取平均值。（2）光譜透過率測量按照圖6所示裝置放置好實(shí)驗(yàn)儀器，溴燈聚焦后的光斑落在單色儀入射狹縫上。調(diào)制器輸出的信號（根據(jù)使用斬波器內(nèi)外徑選擇合適的檔位和輸出端口）接鎖定放大器參考信號輸入端。探測器的輸出接鎖定放大器信號輸入A端口。將鎖定放大器的接地端子與大地連接，設(shè)置好儀器的各功能項(xiàng)。溴燈調(diào)制器單色儀探測器樣品信號輸入鎖定放大器A B參考輸入調(diào)制信號輸出圖6 光譜透過率測試裝置示意圖 測量樣品的光譜透過率，調(diào)節(jié)單色儀，在可見光范圍內(nèi)，每隔一定波長（10或20nm）記錄探測器的光譜響應(yīng)值（為確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可測多組）。在

42、光路中放入待測樣品，放入樣品的時候盡可能使得光線正入射到樣品，以免發(fā)生反射或樣品等效厚度發(fā)生變化，重復(fù)上述步驟。3.數(shù)據(jù)處理分別整理用鎖定放大器和高精讀萬用表測得數(shù)據(jù)，繪出被測樣品光譜透過率曲線。由于探測器后的放大電路有一定直流偏置，用萬用表測量和鎖定放大器的測量數(shù)據(jù)在計算透過率時有所不同。用鎖定放大器測量時，透過率，其中是放入待測樣品后測得的電壓值、為未放待測樣品的電壓值。三、 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)處理1、 使用汞燈進(jìn)行單色儀校準(zhǔn)2、樣品的光譜透過率測量Vr1為樣品1的電壓測量值Vr2為樣品2的電壓測量值Vr為不加樣品的電壓測量值由此可以繪出樣品1的光譜透過率曲線樣品2的光譜透過率曲線3、濾光片的

43、帶寬特性測量1號片中心波長為633nm，電壓隨波長變化特性：波長/nm380420460500540580600610Vr/mV0.10.10.10.110.110.120.120.12波長/nm620625630635640650690730Vr/mV0.130.510.690.320.140.130.120.101號片電壓隨波長變化曲線：5號片中心波長為532nm，電壓隨波長變化特性：波長/nm380420460500510520525530Vr/mV0.10.10.10.10.10.110.190.99波長/nm535540550590630670710Vr/mV1.490.650.10

44、.10.10.10.15號片電壓隨波長變化曲線：四、 實(shí)驗(yàn)小結(jié)實(shí)驗(yàn)中使用了鎖定放大器，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確。樣品1和樣品2在短波長區(qū)域透過率都很低，明顯屬于長波長透過率材料；其中樣品2在700nm附近有100%的透過率峰值。濾光片的帶寬測量中，1號和5號濾光片的3dB帶寬為20nm左右，窄帶濾波特性較好。實(shí)驗(yàn)過程中，影響實(shí)驗(yàn)測量的準(zhǔn)確性主要是由于實(shí)際測得的標(biāo)準(zhǔn)電壓值有抖動，。實(shí)驗(yàn)九 紅外報警器設(shè)計實(shí)驗(yàn)一、 概述紅外報警器是利用工作在紅外波段的光電探測器制作的一種光電探測系統(tǒng)，它能替代人看守倉庫或監(jiān)視一定范圍的場所，當(dāng)有人或異物進(jìn)入時，便可發(fā)出聲光報警，告訴主人出現(xiàn)了意外情況，以便采取應(yīng)急措施。紅外

45、探測器及偏置報警電路放大及處理驅(qū)動電路紅外光發(fā)射源圖1-1 主動式紅外報警器原理框圖常用的紅外報警器，按其工作方式可分為主動式和被動式兩種。圖1-1為主動式紅外報警器的原理框圖。由紅外光源發(fā)出的紅外輻射被紅外探測器接收，紅外輻射信號變?yōu)殡娦盘?，?jīng)信號放大和處理電路后送報警電路。這種報警器實(shí)際上分為發(fā)送和接收兩個部分，分開放置。當(dāng)沒有人和物進(jìn)入這兩部分時，紅外輻射沒有被阻斷，報警器處于一種狀態(tài)，不報警。一旦有人或物進(jìn)入這兩部分之間，紅外輻射被阻斷，報警器立即翻轉(zhuǎn)到另外一種狀態(tài)，即可發(fā)出聲光報警，或以其它方式報警。圖1-2 被動式紅外報警器原理框圖被動式紅外報警器的原理框圖如圖1-2所示，這種報警

46、器實(shí)際上只有接受部分，當(dāng)有人和物體進(jìn)入其監(jiān)視范圍內(nèi)時，人或物體發(fā)出的紅外輻射被紅外探測器接收后，經(jīng)過信號放大和處理，就會發(fā)出報警。因此在設(shè)計和選用紅外報警器時，必須根據(jù)不同的應(yīng)用場合，做出合理的選擇。這種選擇是多因素綜合的結(jié)果，答案不是唯一的。二、 設(shè)計方案 要求設(shè)計一個主動式紅外報警器，所以必須選擇合適的紅外發(fā)光二極管和光電二級管（或光電三級管），主要使它們的發(fā)光波段和接收波段能夠互相對應(yīng)。 首先查閱光電手冊，經(jīng)過多種因素考慮選擇紅外發(fā)光二級管 HG413，其發(fā)光波段集中在0.95um 附近，相應(yīng)的接收器件選擇2CU1光電二極管。其光譜響應(yīng)曲線的峰值在0.88um附近，到0.95um時仍然有

47、70%的峰值響應(yīng)故可選用。因?yàn)闆]有響應(yīng)峰值在0.95um的光電二極管。也只好這樣配置。 根據(jù)紅外發(fā)光二極管 HG413 的參數(shù)，和紅外報警的要求，設(shè)計發(fā)射部分電路如圖5-1所示。圖2-1紅外報警器發(fā)射部分原理圖這是一個由555電路組成的多諧振蕩器，振蕩頻率為3.1kHz。調(diào)節(jié)R3的大小可限制通過HG413 的電路，從而決定發(fā)射強(qiáng)度，也就決定了接收距離。本設(shè)計中R3使用100歐可變變阻器，方便調(diào)節(jié)。圖2-2紅外報警器接收部分原理圖紅外報警器接收部分如圖5-2 所示。這里RL是光電二極管2CU的偏置電路，RC是交流耦合電路，A1構(gòu)成電壓跟隨器。A2及其外圍阻容元件構(gòu)成有源濾波器。A3 構(gòu)成反相比例放大器。D3 和R7、C3組成半波整流濾波電路，由2CU接