采用硅光電池實(shí)現(xiàn)光照度計電路設(shè)計與分析

1、成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文采用硅光電池實(shí)現(xiàn)光照度計電路設(shè)計和分析作者姓名：# # #專業(yè)名稱：應(yīng) 用 物 理 學(xué)指導(dǎo)教師：# # # 講師采用硅光電池實(shí)現(xiàn)光照度計電路設(shè)計和分析摘要 本文通過理論分析與數(shù)值比對來確定光照強(qiáng)弱與光電池輸出光電信號的關(guān)系，并且通過這種關(guān)系設(shè)計了相應(yīng)的光電檢測電路，更直觀展現(xiàn)光伏技術(shù)在實(shí)際生活中的應(yīng)用。 隨著光伏技術(shù)的日漸成熟以及應(yīng)用的擴(kuò)展，對光照的研究也日新月異。所以對如何更加準(zhǔn)確的測定光照參數(shù)也提出了更高的要求。針對不同的要求，如何快速設(shè)計出對應(yīng)的光電探測器，又有了新的課題。本文在此背景下，進(jìn)行了光照度計電路的設(shè)計與分析。 本論文共分四部分：第一部分為光電池

2、特性介紹及實(shí)驗特性參數(shù)，第二部分為電路方案設(shè)計和電路實(shí)現(xiàn)，第三部分為利用Protel 99SE進(jìn)行電路設(shè)計，第四部分為電路實(shí)物制作與調(diào)試。關(guān)鍵詞：光電池 轉(zhuǎn)換電路 光電效應(yīng) 伏安特性 AbstractA comparsion between analysis theory and numerical ratio, which can determine the relationship between the intensity of illumination and optical signal of photocell output in this paper. And we design

3、 a corresponding circuit of photoelectric detection by the relationship showing the application of photoelectric technology in our daily life.With the development and widespread of photoelectric technology, fracture treatment has been changing quickly. So there have more high requirements about how

4、to determine the parameter of the light more exactly. As for different requirements, it is a new project to design the corresponding electrophptonic detector. Under this background, this paper discuss design and analysis of the circuit of light meter.There are four parts in this paper：In the first p

5、art, it introduce the character of photoelectric cell and characteristic parameter of experiment. The second part is about designing scheme of circuit and realizing the circuit, The third part is using Protel 99SE to design circuit, The fourth part is to manufacture and adjust the circuit. analysis

6、theor隨著光伏技術(shù)的日漸成熟以及應(yīng)用的擴(kuò)展，對光照的研究也日新月異。所以對如何更加準(zhǔn)確的測定光照參數(shù)變化也提出了更高的要求。針對不同的要求，如何快速設(shè)計出對應(yīng)的光電探測器，又有了新的課題。本文在此背景下，進(jìn)行了光照度計電路的設(shè)計與分析。Keywords: Potoelectric cell, Conversion circuit,Photoelectric effect, Volt-Ampere characteristic-IV-目錄摘要IAbstractII目錄III前言11 光伏技術(shù)的發(fā)展歷程簡介21.1 光伏技術(shù)的歷程21.2 光伏技術(shù)的現(xiàn)狀32 硅光電池的工作特性42.1 硅光電

7、池的工作原理42.2 硅光電池的負(fù)載特性62.2.1硅光電池零偏和負(fù)偏時光電流與輸入光信號的關(guān)系72.2.2 硅光電池輸出接恒定負(fù)載時產(chǎn)生的光伏電壓與輸入光信號的關(guān)系83 電路的設(shè)計方案103.1 電路的設(shè)計要求103.2 電路的方框圖103.3 電路的原理圖113.4 電路的工作過程114 各單元電路實(shí)現(xiàn)124.1 光電池的輸入信號電路124.2 電平放大轉(zhuǎn)換電路124.2.1 運(yùn)算放大器LM741的性能簡介134.2.2 同相比例放大電路134.2.3 電平轉(zhuǎn)換串聯(lián)電路144.3 電平顯示電路145 利用Protel對光照度計電路設(shè)計155.1 Protel電子繪圖軟件簡介155.2 電路

8、原理圖繪制165.2.1 生成電路原理圖過程165.2.2 生成BOM表195.2.3 生成網(wǎng)絡(luò)表Netlist215.2.4 電路ERC表225.3 電路PCB圖繪制235.3.1 生成單面PCB圖過程235.3.2 電路DRC檢測266 光照度計電路制作276.1 電路的焊接276.2 電路的調(diào)試及結(jié)果27總結(jié)30致謝31參考文獻(xiàn)32附件1 軟件安裝說明33Protel的安裝與配置33前言1839年，法國科學(xué)家貝克雷爾(becurel)就發(fā)現(xiàn)，光照能使半導(dǎo)體材料的不同部位之間產(chǎn)生電位差。這種現(xiàn)象后來被稱為“光生伏特效應(yīng)”，簡稱“光伏效應(yīng)”。隨后就引發(fā)了人們對太陽能開發(fā)的熱潮，時至今日，已經(jīng)

9、有越來越多的光伏產(chǎn)品面世。光伏技術(shù)也被應(yīng)用于科學(xué)研究與能源開發(fā)方面，例如：光伏發(fā)電、半導(dǎo)體照明、光電探測、光通信等。 半導(dǎo)體光電探測技術(shù)也在數(shù)碼攝像、光通信、太陽能電池等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。它能見看不見摸不著的光信號，轉(zhuǎn)化為直觀的電信號，為光電研究提供了可靠的探測手段，是目前應(yīng)用最為廣泛的探測技術(shù)之一，具有技術(shù)先進(jìn)、非接觸式、性能可靠、低碳環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。硅光電池就是科學(xué)家們通過多光伏技術(shù)研究，所誕生的一種重要的光電轉(zhuǎn)換原件。它具有高效的光電轉(zhuǎn)換效率。利用它的這個特點(diǎn)我們可以對光照進(jìn)行分析，從而得到可靠的光照數(shù)據(jù)。 檢測是通過一定的物理方式，分辨出被測參數(shù)量并歸屬到某一范圍帶，以此來判別被測量是否

10、合格或參數(shù)量是否存在。本文通過硅光電池的光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了光信號到電信號的轉(zhuǎn)變，從而為光信號的測量提供了準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)。為了提高傳輸效率并且無畸變地變換光電信號，光電探測器不僅要和被測信號、光學(xué)系統(tǒng)相匹配，而且要和后續(xù)的電子線路在特性和工作參數(shù)上相匹配，使每個相互連接的器件都處于最佳的工作狀態(tài)。 本文光照探測電路、轉(zhuǎn)換電路、顯示電路進(jìn)行的設(shè)計都是在Protel 99SE上進(jìn)行，這為電路的制作提供了很好的設(shè)計途徑，節(jié)省了大量的人力物力和財力。同時用Protel 99SE設(shè)計電路的也避免了因為電路設(shè)計錯誤，而造成的浪費(fèi)。比較全面的系統(tǒng)地介紹了硅光電池對光照探測的理論原理和應(yīng)用基礎(chǔ)，取材合適，深度適宜，

11、在理論方面力求簡潔易懂，力求緊跟技術(shù)發(fā)展方向富有啟發(fā)性。本文從可以發(fā)展方向入手，系統(tǒng)的講解了硅光電池的基本特性、基本應(yīng)用和發(fā)展前景。1 光伏技術(shù)的發(fā)展歷程簡介1.1 光伏技術(shù)的歷程早在1839年，法國科學(xué)家貝克雷爾(becurel)就發(fā)現(xiàn)，光照能使半導(dǎo)體材料的不同部位之間產(chǎn)生電位差。這種現(xiàn)象后來被稱為“光生伏特效應(yīng)”，簡稱“光伏效應(yīng)”。 1954年恰賓和皮爾松在美國貝爾實(shí)驗室首次制成了實(shí)用的單晶硅太陽電池，效率為6。同年，威克爾首次發(fā)現(xiàn)了砷化鎵有光伏效應(yīng)，并在玻璃上沉積硫化鎘薄膜，制成了太陽電池。太陽電池開始了緩慢的發(fā)展。1973年爆發(fā)了中東戰(zhàn)爭，引起了第一次石油危機(jī)，從而使許多國家，特別是工

12、業(yè)發(fā)達(dá)國家，加強(qiáng)了對太陽能及其他可再生能源技術(shù)發(fā)展的支持，在世界上再次興起了開發(fā)利用太陽能熱潮。1973年，美國制定了政府級陽光發(fā)電計劃，太陽能研究經(jīng)費(fèi)大幅度增長，而且成立了太陽能開發(fā)銀行，促進(jìn)太陽能產(chǎn)品的商業(yè)化。于1978年美國建成了100kwp太陽地面光伏電站。日本1974年公布了政府制定的“陽光計劃”。進(jìn)入21新世紀(jì)，光伏技術(shù)的應(yīng)用也越來與廣泛，光伏產(chǎn)品也大量出現(xiàn)在了人們的日常生活當(dāng)中。 表1.1 世界光伏電池發(fā)展的主要節(jié)點(diǎn)1954美國貝爾實(shí)驗室發(fā)明單晶硅太陽能電池，效率為6%1955第一個光伏航燈問世，美國RAC發(fā)明GaAs太陽能電池1958太陽能電池首次裝備于美國先鋒1號衛(wèi)星，轉(zhuǎn)換效

13、率為8%1959第一個單晶硅太陽能電池問世1960太陽能電池首次實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行1974突破反射絨面技術(shù)，硅太陽能電池效率達(dá)到18%1975非晶硅及帶硅太陽能電池問世1978美國建成100KW光伏電站1980單晶硅太陽能電池效率達(dá)到20%，多晶硅為14.5%，GaAs為2.5%1986美國建成6.5KW光伏電站1990德國提出“2000光伏屋頂計劃”1995高效聚光GaAs太陽能電池問世，效率達(dá)32%1997美國提出“克林頓總統(tǒng)百萬太陽能屋頂計劃”,日本提出“新陽光計劃”1998單晶硅太陽能電池效率達(dá)24.7%荷蘭提出“百萬光伏屋頂計劃”2000太陽能電池總產(chǎn)量達(dá)287MW，歐洲計劃2010年生產(chǎn)

14、60億瓦光伏電池1.2 光伏技術(shù)的現(xiàn)狀光伏產(chǎn)業(yè)主要有兩大技術(shù)路線：晶硅電池和薄膜電池。晶硅太陽能電池是目前發(fā)展最成熟、商業(yè)化程度最高的產(chǎn)品，市場占有率達(dá)90%以上。薄膜電池的技術(shù)還在初期發(fā)展階段。在國際光伏發(fā)電市場的帶動下，我國光伏電池制造產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，已經(jīng)形成了從硅材料、器件、生產(chǎn)設(shè)備、應(yīng)用系統(tǒng)等較為完整的產(chǎn)業(yè)鏈。光伏電池轉(zhuǎn)換效率不斷提高，制造能力迅速擴(kuò)大。無論是裝備制造還是配套的輔料制造，國產(chǎn)化進(jìn)程都在加速。在光伏產(chǎn)業(yè)鏈中，有實(shí)際產(chǎn)能的多晶硅生產(chǎn)商2030家， 60多家硅片企業(yè)，電池企業(yè)60多家，組件企業(yè)330多家。到2010年底，國內(nèi)已經(jīng)有海外上市的光伏產(chǎn)品制造公司16家，國內(nèi)上市的光伏

15、產(chǎn)品制造公司16家，行業(yè)年產(chǎn)值超過3 000多億元，進(jìn)出口額220億美元，就業(yè)人數(shù)近百萬人。 光伏設(shè)備制造業(yè)逐漸形成規(guī)模，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了強(qiáng)大的支撐。在晶體硅太陽能電池生產(chǎn)線的十幾種主要設(shè)備中，8種以上國產(chǎn)設(shè)備已在國內(nèi)生產(chǎn)線中占據(jù)主導(dǎo)地位。其中單晶爐、擴(kuò)散爐、等離子刻蝕機(jī)、清洗制絨設(shè)備、組件層壓機(jī)、太陽模擬儀等已達(dá)到或接近國際先進(jìn)水平，性價比優(yōu)勢十分明顯。多晶硅鑄錠爐、多線切割機(jī)等設(shè)備制造技術(shù)取得重大進(jìn)步，打破國外產(chǎn)品的壟斷，有些設(shè)備開始出口，如擴(kuò)散爐、層壓機(jī)等。我國已經(jīng)掌握了產(chǎn)業(yè)鏈的各個環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵技術(shù)，并在不斷地創(chuàng)新和發(fā)展，如電池技術(shù)、多晶硅制造技術(shù)等，多晶硅電池的平均出廠效率達(dá)到16%。

16、英利、天合、阿特斯、晶澳、韓華、南京中電等國際化公司也都持有自己的專有技術(shù)，電池的轉(zhuǎn)換效率均達(dá)到世界一流水平，使得我國光伏組件在世界上具有很強(qiáng)的價格競爭力。2 硅光電池的工作特性2.1 硅光電池的工作原理 光電二極管是典型的光電效應(yīng)探測器，具有量子噪聲低、響應(yīng)快、使用方便等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于激光探測器。外反偏電壓與結(jié)內(nèi)電場一致，當(dāng)PN結(jié)及其附近被光照時，就會產(chǎn)生載流子（及電子空穴對）。結(jié)區(qū)內(nèi)的電子-空穴對在勢壘去電場的作用下，電子被拉向N區(qū)，空穴被拉向P區(qū)而形成光電流。同時勢壘區(qū)一側(cè)一個擴(kuò)展長度內(nèi)的光生載流子先向勢壘區(qū)擴(kuò)散，然后在勢壘區(qū)電場作用下也參與導(dǎo)電。當(dāng)入射光強(qiáng)度變化時，光生載流子的濃度及

17、通過外回路的光電流也隨之發(fā)生相應(yīng)的變化。這種變化在入射光強(qiáng)度很大的動態(tài)范圍內(nèi)仍能保持線性關(guān)系。 硅光電池是一個大面積的光電二極管，他被設(shè)計用于把入射到它表面的光能轉(zhuǎn)化為電能，因此，可用作光電探測器，被廣泛用于太空和野外便攜式儀器等的能源。光電池的結(jié)構(gòu)如圖2.1所示，當(dāng)半導(dǎo)體PN結(jié)處于零偏或負(fù)片時，在他們結(jié)合面耗盡區(qū)存在一內(nèi)電場。當(dāng)沒有光照時，光電二極管相當(dāng)于普通的二極管。其伏安特性是： （1.1） 圖2.1 光電池結(jié)構(gòu)示意圖式（1.1）中為流過二極管的總電流，為反向飽和電流，為電子電荷，為玻爾茲曼常數(shù)，為工作絕對溫度，為加在二極管兩端的電壓。對于外加正向電壓，隨指數(shù)增長，成為正向電流：當(dāng)外加電

18、壓反向時，在方向擊穿電壓之內(nèi)，反向飽和電流基本是個常數(shù)。當(dāng)有光照時，入射光子將把處于介帶中的束縛電子激發(fā)到導(dǎo)帶，激發(fā)出的電子空穴對在內(nèi)電場作用下分別漂移到N型區(qū)和P型區(qū)，當(dāng)PN結(jié)兩端加載負(fù)載時就有一光生電流流過負(fù)載。流過PN結(jié)兩端的電流可由式(式1.2)確定： （1.2）此式表示硅光電池的伏安特性。式（1.2）中為流過硅光電池的總電流，反向飽和電流，V為PN結(jié)兩端電壓，T為工作絕對溫度，為產(chǎn)生的反向光電流。從式中可以看到，當(dāng)光電池處于零偏時，V=0，流過PN結(jié)的電流；當(dāng)光電池處于負(fù)偏時，流過PN結(jié)的電流。因此，當(dāng)光電池作光電轉(zhuǎn)換器時，光電池必須處于零偏或負(fù)偏狀態(tài)。比較（1.1）式和（1.2）式

19、可知，硅光電池的伏安特性曲線相當(dāng)于普通二極管的伏安特性曲線向下平移。光電池處于零偏或負(fù)偏狀態(tài)時，產(chǎn)生的光電流與輸入光功率有一下關(guān)系： （1.3）式（1.3）中R值隨入射光波長的不同而變化，對不同材料制作的光電池R值分別在短波長和長波長處存在一截止波長，在長波長處要求入射光子的能量大于材料的能級間隙，以保證處于介帶中的束縛電子得到足夠的能量被激發(fā)到導(dǎo)帶，對于硅光電池其長波截止波長為，在波長也處于也由于材料有較大吸收系數(shù)使R值很小。圖2.2是光電池光信號接收端的工作原理框圖，光電池把接收到的光信號轉(zhuǎn)變?yōu)橹烧鹊碾娏餍盘?，就可以測定光電池的飽和電流。當(dāng)發(fā)送的光信號被正弦信號調(diào)制時，則光電池輸出電壓

20、信號中將包含正弦信號，據(jù)此可通過示波器測定光電池的頻率響應(yīng)特性。零偏反偏光電池I/V變換器數(shù)顯器示波器V圖2.2 光電池光電信號接收框圖2.2 硅光電池的負(fù)載特性 光電池作為電池使用如圖2.3所示。在內(nèi)電場作用下，入射光子由于內(nèi)光電效應(yīng)把處于介帶中的束縛電子激發(fā)到導(dǎo)帶，而產(chǎn)生光伏電壓，在光電池兩端加一個負(fù)載就會有電流流過，當(dāng)負(fù)載很小時，電流較小而電壓較大；當(dāng)負(fù)載很大時，電流較大而電壓較小。實(shí)驗時可改變負(fù)載電阻的值來測定硅光電池的伏安特性。 圖2.3 硅光電池伏安特性的測定硅光電池特性試驗儀框圖如圖2.4所示。超高亮度LED在可調(diào)電流和調(diào)制信號驅(qū)動下發(fā)出的光照射到光電池表面功能轉(zhuǎn)換開關(guān)可分別打到

21、零偏、負(fù)載或負(fù)載。LED驅(qū)動LED光電池負(fù)載特性電流電壓轉(zhuǎn)換圖2.4 硅光電池特性試驗儀框圖2.2.1硅光電池零偏和負(fù)偏時光電流與輸入光信號的關(guān)系打開儀器電源，調(diào)節(jié)發(fā)光二極管靜態(tài)驅(qū)動電流，其調(diào)節(jié)范圍為020mA（相應(yīng)于發(fā)光強(qiáng)度指示020.00），將功能轉(zhuǎn)換開關(guān)分別打到零偏和負(fù)偏，將硅光電池輸出端連接到I/V轉(zhuǎn)換模塊的輸入端，將I/V轉(zhuǎn)換模塊的輸出端連接到數(shù)顯電壓表頭的輸入端，分別測定光電池在零偏和負(fù)偏時光電流與輸入光信號關(guān)系。記錄數(shù)據(jù)并在同一張方格紙上作圖，比較硅光電池在零偏和負(fù)偏時兩條曲線關(guān)系，如圖2.5（a）和圖2.5（b）。表2.1 硅光電池零偏和負(fù)偏時光電流與輸入光信號的值零偏輸入光信

22、號（mA）0369121518輸出電壓（mV）0.07.920.372.2負(fù)偏輸入光信號（mA）0369121518輸出電壓（mV）0.07.920.333.346.659.973.2圖2.5（a） 硅光電池零偏時光電流與輸入信號的關(guān)系圖2.5（b） 硅光電池負(fù)偏時光電流與輸入光信號的關(guān)系2.2.2 硅光電池輸出接恒定負(fù)載時產(chǎn)生的光伏電壓與輸入光信號的關(guān)系將功能轉(zhuǎn)換開關(guān)打到“負(fù)載”處，將硅光電池輸出端連接恒定負(fù)載電阻和數(shù)顯電壓表，從020mA調(diào)節(jié)發(fā)光二極管靜態(tài)驅(qū)動電流，實(shí)驗測定光電池輸出電壓隨輸入光強(qiáng)度變化的關(guān)系曲線，如圖2.6（a）和圖2.6（b）。表2.2 硅光電池

23、輸出接恒定負(fù)載時（R=1K）產(chǎn)生的光伏電壓與輸入光信號值輸入光強(qiáng)（mA）024681012141618輸出電壓（mV）0.010.422.234246.458.670.782.495.2107.5表2.3 輸入光信號為16mA時，電壓隨電阻變化關(guān)系數(shù)據(jù)記錄電阻（）10050010001500200025003000電壓（mV）1.99.017.224.731.537.843.7電阻（）4000450050005500600070008000電壓（mV）54.158.863.167.271.074.678.0R=1K圖2.6（a）硅光電池接恒定負(fù)載時產(chǎn)生電壓與輸入信號的關(guān)系圖2.6（b）輸入光信

24、號為16mV時，電壓隨電阻變化的關(guān)系U=16mV3 電路的設(shè)計方案3.1 電路的設(shè)計要求本電路的目的是實(shí)現(xiàn)對光照的采樣分析，所以采用硅光電池實(shí)現(xiàn)光照度計電路的設(shè)計要求主要有以下幾點(diǎn)： 1、 硅光電池采用零偏工作方式作為輸入回路；2、電平轉(zhuǎn)換電路采用零點(diǎn)漂移可調(diào)的運(yùn)算放大器；3、光的強(qiáng)度顯示采用串聯(lián)LED顯示方式；4、直流工作電源采用正、負(fù)雙電源供電方式。3.2 電路的方框圖雙電源采樣電路放大電路電平轉(zhuǎn)換LED電位顯示圖3.1 采用硅光電池實(shí)現(xiàn)光照度計電路方框圖3.3 電路的原理圖圖3.2 采用硅光電池實(shí)現(xiàn)光照度計電路原理圖3.4 電路的工作過程首先，硅光電池受光的影響產(chǎn)生電流，經(jīng)過并聯(lián)采樣電阻

25、產(chǎn)生電壓信號，此電壓信號進(jìn)入運(yùn)算放大器的同相端進(jìn)行放大；經(jīng)過100倍放大后產(chǎn)生伏級的電壓輸出信號，即電平輸出信號。其次將電平輸出信號經(jīng)電平分配電阻產(chǎn)生串聯(lián)式式LED的各自工作電壓，以驅(qū)動LED，并按電位大小依次點(diǎn)亮LED發(fā)光。點(diǎn)亮串聯(lián)LED的多少，由光的強(qiáng)弱來決定。4 各單元電路實(shí)現(xiàn)4.1 光電池的輸入信號電路將硅光電池作為電流源，與電阻并聯(lián)后構(gòu)成信號源。為便于信號放大，經(jīng)等效變換，將電流源如圖4.1（a）變?yōu)殡妷涸慈鐖D4.1（b）。為硅光電池受光照時產(chǎn)生的電流。 圖4.1（a）電流源 圖4.2（b）電壓源4.2 電平放大轉(zhuǎn)換電路運(yùn)算放大器（簡稱“運(yùn)放”）是具有很高放大倍數(shù)的電路單元。在實(shí)際電

26、路中，通常結(jié)合反饋網(wǎng)絡(luò)共同組成某種功能模塊。由于早期應(yīng)用于模擬計算機(jī)中，用以實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)運(yùn)算，故得名“運(yùn)算放大器”。運(yùn)放是一個從功能的角度命名的電路單元，可以由分立的器件實(shí)現(xiàn)，也可以實(shí)現(xiàn)在半導(dǎo)體芯片當(dāng)中。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，大部分的運(yùn)放是以單芯片的形式存在。運(yùn)放的種類繁多，廣泛應(yīng)用于電子行業(yè)當(dāng)中。運(yùn)放有兩個輸入端a（反相輸入端），b（同相輸入端）和一個輸出端o。也分別被稱為倒向輸入端非倒向輸入端和輸出端。當(dāng)電壓U-加在a端和公共端（公共端是電壓為零的點(diǎn)，它相當(dāng)于電路中的參考結(jié)點(diǎn)。）之間，且其實(shí)際方向從a 端高于公共端時，輸出電壓U實(shí)際方向則自公共端指向o端，即兩者的方向正好相反。當(dāng)輸入電壓U+加

27、在b端和公共端之間，U與U+兩者的實(shí)際方向相對公共端恰好相同。為了區(qū)別起見，a端和b 端分別用"-"和"+"號標(biāo)出，但不要將它們誤認(rèn)為電壓參考方向的正負(fù)極性。電壓的正負(fù)極性應(yīng)另外標(biāo)出或用箭頭表示。4.2.1 運(yùn)算放大器LM741的性能簡介LM741是一種應(yīng)用非常廣泛的通用型運(yùn)算放大器。由于采用了有源負(fù)載，所以只要兩級放大就可以達(dá)到很高的電壓增益和很寬的共模及差模輸入電壓范圍。本電路采用內(nèi)部補(bǔ)償，電路比較簡單不易自激，工作點(diǎn)穩(wěn)定，使用方便，而且設(shè)計了完善的保護(hù)電路，不易損壞。LM741可應(yīng)用于各種數(shù)字儀表及工業(yè)自動化控制設(shè)備中。LM741通用運(yùn)算放大器可采

28、用雙電源供電或單電源供電，可零點(diǎn)漂移調(diào)節(jié)。4.2.2 同相比例放大電路根據(jù)同相比例運(yùn)算放大電路的輸入電壓與輸出電壓的計算關(guān)系： (4.1) 可得： 圖4.3 同相電路4.2.3 電平轉(zhuǎn)換串聯(lián)電路為了使多個串聯(lián)LED按光線強(qiáng)弱依次發(fā)光，要將運(yùn)算放大器的輸出點(diǎn)位分配給串聯(lián)電阻上，以便產(chǎn)生各自LED的工作電壓。 多個LED的發(fā)光順序為：D6、D5、D4、D3、D2、，電位也依次從低到高，當(dāng)電位較低時僅有D6發(fā)光；當(dāng)電位較高時D6、D5、D4、D3、D2均會發(fā)光。每個LED的電位計算關(guān)系如下： (4.2) (4.3) (4.4) (4.5) (4.6) 其中： 圖4.4 電平分配電路4.3 電平顯示電

29、路 將5個LED串聯(lián)，根據(jù)光線的強(qiáng)弱依次點(diǎn)亮LED發(fā)光，具體電路見圖4.4所示。當(dāng)電位較低時，只能滿足D6的工作電壓，所以此時僅有D6發(fā)光，其發(fā)光強(qiáng)弱也與電壓的大小有關(guān);當(dāng)電位適中時，此時一部分LED發(fā)光，其中LED發(fā)光的強(qiáng)弱也有所不同；當(dāng)電位較高時，這時能滿足所有LED的工作電壓，所以所有了LED均發(fā)光，且光強(qiáng)達(dá)到最大。 所以，這樣我們就可以根據(jù)LED的發(fā)光情況來判定此時輸入電信號的情況，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對硅光電池所接收到的光照進(jìn)行分析。5 利用Protel對光照度計電路設(shè)計5.1 Protel電子繪圖軟件簡介Protel是Altium公司在80年代末推出的EDA軟件，在電子行業(yè)的CAD軟件中，它當(dāng)

30、之無愧地排在眾多EDA軟件的前面，是電子設(shè)計者的首選軟件，它較早就在國內(nèi)開始使用，在國內(nèi)的普及率也最高，有些高校的電子專業(yè)還專門開設(shè)了課程來學(xué)習(xí)它，幾乎所有的電子公司都要用到它，許多大公司在招聘電子設(shè)計人才時在其條件欄上常會寫著要求會使用Protel。早期的Protel主要作為印制板自動布線工具使用，運(yùn)行在DOS環(huán)境，對硬件的要求很低，在無硬盤286機(jī)的1M內(nèi)存下就能運(yùn)行，但它的功能也較少，只有電路原理圖繪制與印制板設(shè)計功能，其印制板自動布線的布通率也低，而現(xiàn)今的Protel已發(fā)展到DXP 2004，是個龐大的EDA軟件，完全安裝有200多M，它工作在WINDOWS95環(huán)境下，是個完整的板級全

31、方位電子設(shè)計系統(tǒng)，它包含了電路原理圖繪制、模擬電路與數(shù)字電路混合信號仿真、多層印制電路板設(shè)計（包含印制電路板自動布線）、可編程邏輯器件設(shè)計、圖表生成、電子表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server（客戶/服務(wù)器）體系結(jié)構(gòu)，同時還兼容一些其它設(shè)計軟件的文件格式，如ORCAD，PSPICE，EXCEL等，其多層印制線路板的自動布線可實(shí)現(xiàn)高密度PCB的100%布通率。Protel 99SE人機(jī)界面友好，易學(xué)易用，是大中專院校電學(xué)專業(yè)必學(xué)課程，同時也是業(yè)界人士首選的電路板設(shè)計工具。Protel 99SE 由兩大部分組成：電路原理圖設(shè)計（Advanced Schematic）和多層印刷

32、電路板設(shè)計（Advanced PCB）。其中Advanced Schematic由兩部分組成：電路圖編輯器（Schematic）和元件庫編輯器（Schematic Library）。Protel 99SE采用全新的管理方式，即數(shù)據(jù)庫的管理方式。Protel 99 SE是在桌面環(huán)境下第一個以獨(dú)特的設(shè)計管理和團(tuán)隊合作技術(shù)為核心的全方位的印制板設(shè)計系統(tǒng)。所有Protel 99SE設(shè)計文件都被存儲在唯一的綜合設(shè)計數(shù)據(jù)庫中，并顯示在唯一的綜合設(shè)計編輯窗口。Protel 99SE軟件沿襲了Protel以前版本方便易學(xué)的特點(diǎn)，內(nèi)部界面與Protel 98大體相同，新增加了一些功能模塊。Protel公司引進(jìn)了

33、德國INCASES公司的先進(jìn)技術(shù)，在Protel 99SE中集成了信號完整性工具，精確的模型和板分析，幫助你在設(shè)計周期里利用信號完整性分析可獲得一次性成功和消除盲目性。Protel 99SE容易使用的特性就是新的“這是什么” 幫助。按下任何對話框右上角的小問號，然后選擇你所要的信息?，F(xiàn)在可以很快地看到 特性的功能，然后用到設(shè)計中，按下狀態(tài)欄末端的按鈕，使用自然語言幫助顧問。5.2 電路原理圖繪制開始設(shè)置圖紙大小設(shè)置環(huán)境放置元件原理圖部線輸出報表存盤打印結(jié)束圖5.1 原理圖設(shè)計流程5.2.1 生成電路原理圖過程電路原理圖的設(shè)計主要是Protel 99SE的原理圖設(shè)計系統(tǒng)（Advanced Sch

34、ematic）來繪制一張電路原理圖。在這一過程中，要充分利用Protel 99SE所提供的各種原理圖繪圖工具、各種編輯功能，來實(shí)現(xiàn)我們的目的，即得到一張正確、精美的電路原理圖。首先，在WINDOWS下雙擊Protel 99SE 圖標(biāo)，點(diǎn)擊File(文件)中“New”項，新建設(shè)計數(shù)據(jù)庫，如圖5.2(a)所示。在Browse選項中選取需要存儲的文件夾，然后點(diǎn)擊“OK”，如圖5.2（b），即可建立自己的設(shè)計數(shù)據(jù)庫。圖5.2（a） 圖標(biāo) 圖5.2（b）建立設(shè)計數(shù)據(jù)庫進(jìn)入主設(shè)計窗口后，選取File/New.打開New Document對話框，如圖5.3，選取Schematic Document建立一個新

35、的原理圖文檔。 圖5.3 新建原理圖文檔建立好原理圖文檔后，就會進(jìn)入Protel 99SE 原理圖設(shè)計的主界面，如圖5.4。編輯區(qū)電路圖繪制工具欄畫圖工具欄零件顯示零件管理器零件庫管理器圖5.4 原理圖設(shè)計主界面進(jìn)入主界面后，首先設(shè)定好設(shè)計圖紙的大小和樣式，我們這里將圖紙大小設(shè)為A4，工作區(qū)顏色為白色。圖紙參數(shù)設(shè)好后，就可以在工作界面添加我們的元器件。完成原件的選取、位置的調(diào)整過后，如圖5.5所示。圖5.5 原理圖原件選取及布局最后，所有元件放置完畢后，就可以進(jìn)行電路圖中各對象間的連線（Wiring）如圖5.7所示。連線的主要目的是按照電路設(shè)計的要求建立網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際連通性。要進(jìn)行操作，可單擊電路

36、繪制工具欄上的按鈕或執(zhí)行菜單Place/Wire將編輯狀態(tài)切換到連線模式，此時鼠標(biāo)指針由空心箭頭變?yōu)槭旨?。只需將鼠?biāo)指針指向欲拉連線的元件端點(diǎn)，單擊鼠標(biāo)左 鍵，就會出現(xiàn)一條隨鼠標(biāo)指針移動的預(yù)拉線，當(dāng)鼠標(biāo)指針移動到連線的轉(zhuǎn)彎點(diǎn)時，單擊鼠標(biāo)左鍵就可定位一次轉(zhuǎn)彎。當(dāng)拖動虛線到元件的引腳上并單擊鼠標(biāo)左鍵，可在任何時候雙擊鼠標(biāo)左鍵，就會終止該次連線。若想將編輯狀態(tài)切回到待命模式，可單擊鼠標(biāo)右鍵可按下Esc鍵。更快捷的連線方法：在待命模式，按鼠標(biāo)右鍵，出現(xiàn)圖5.6（a）所示的右鍵菜單，點(diǎn)擊Place Wire菜單項就可以進(jìn)行連線。 （a） （b）圖5.6 連線編輯 連線完成后，我們就可以看到如圖5.6（

37、b）所示的電路原理圖。這樣一個完整的電路原理圖，我們就完成了。5.2.2 生成BOM表在原理圖界面中，點(diǎn)擊菜單欄“Reports”，然后選擇“Bill of material”，在選擇輸出文件格式時，選擇“Protel formart” 如圖5.7，即可輸出BOM表，如圖5.8。12345圖5.7 BOM流程圖生成流程 圖5.8 BOM表5.2.3 生成網(wǎng)絡(luò)表Netlist網(wǎng)絡(luò)表（NetList）是電路原理圖與設(shè)計印刷電路板之間聯(lián)系的紐帶，是設(shè)計印刷電路板的靈魂，那么到底什么是網(wǎng)絡(luò)表呢？簡單地說，網(wǎng)絡(luò)表就是組成一個電路的所有元件和連線的描述集合。一般來說，網(wǎng)絡(luò)表都是簡單的ASCII文本文件。在

38、典型的網(wǎng)絡(luò)表文件中包含有元件的描述信息，例如元件標(biāo)號和它的封裝類型，以及構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)定義的元件的引腳和引腳之間的連接關(guān)系的描述等。 如要生成網(wǎng)絡(luò)表，可選DesignCreate Netlist命令，如圖5.9，生成后的網(wǎng)絡(luò)表如圖5.10所示：從該網(wǎng)絡(luò)表文件，我們可明顯看出該文件有兩部分構(gòu)成。第一部分是由方括號括起來的，每一組方括號構(gòu)成一個獨(dú)立的部分，它描述了原理圖中的某個元件的標(biāo)號（Designator）、封裝（Footprint）及相關(guān) 圖5.9 信息；第二部分是由圓括號括起來的，每一組圓括號構(gòu)成一個獨(dú)立的部分，它描述了原理圖中的某個節(jié)點(diǎn)的連接情況，即共有多少個元件的引腳連到該節(jié)點(diǎn)上。

39、圖5.10 網(wǎng)絡(luò)表5.2.4 電路ERC表在原理圖繪制完成以后，必須對原理圖進(jìn)行電器規(guī)則檢測（REC檢測），才能最終制作出印制電路板（PCB）。電氣規(guī)則檢查是對已經(jīng)繪制完成的電路圖進(jìn)行后續(xù)處理，以確保原理圖繪制軟件能夠精確地描述你所設(shè)計的電路，從而生成一個有效的網(wǎng)絡(luò)表文件（.NET文件）。通過電氣規(guī)則檢查，即可以檢查出電氣特性上的矛盾，例如一個輸出引腳連到另一個輸出引腳（一般這是不允許的），還可以檢查出繪圖方面的矛盾，采用硅光電池實(shí)現(xiàn)光照度計電路設(shè)計的電路電器規(guī)則檢查結(jié)果，如圖5.11。圖5.11 電器規(guī)則檢測綜上所述可以生成一個完整的網(wǎng)絡(luò)表文件，那么網(wǎng)絡(luò)表文件生成之后，就可以用它來制作印刷電

40、路板了。 5.3 電路PCB圖繪制編輯好原理圖，經(jīng)過電氣規(guī)則檢測（ERC檢測），并生成網(wǎng)絡(luò)表之后就可以進(jìn)行PCB設(shè)計了。5.3.1 生成單面PCB圖過程首先，我們Protel 99SE的“New Documents”下新建PCB 文件，如圖5.12所示。 圖5.12 新建PCB文件建立好PCB文件之后，就可以進(jìn)行PCB設(shè)計參數(shù)的設(shè)置了。首先，是選擇Design設(shè)計的Layer Stack Manager（層堆棧管理器）項設(shè)置電路板層面，如圖5.13（a）。層面設(shè)計完成后，就可以進(jìn)行電氣安全距離和線寬的設(shè)計了，選擇Design設(shè)計Rules對話框進(jìn)行設(shè)置，如圖5.13（b）。最后，選擇Desig

41、n菜單下的Options選擇，出現(xiàn) Document Options對話框進(jìn)行設(shè)置背景網(wǎng)絡(luò)尺寸，如圖5.13（c）。圖5.13（a） 設(shè)置電路板層面圖5.13（b） 電氣安全距離和線寬的設(shè)計圖5.13(c) 設(shè)置背景網(wǎng)絡(luò)尺寸將PCB設(shè)計參數(shù)設(shè)置完成后，就可以進(jìn)行PCB繪制了。我們先畫好PCB電路板，確定其大小。電路板畫好后，接下來就是進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)表的添加。網(wǎng)絡(luò)表加載完成后，我們將原件合理的擺放在電路板的區(qū)域內(nèi)。原件擺放完成后，就可以對電路進(jìn)行自動布線，等布線完成就完成了整個電路板的電腦繪制過程，如圖5.14所示。圖5.14 電路繪制完成后實(shí)現(xiàn)的PCB圖5.3.2 電路DRC檢測電路DRC檢測主要是

42、對設(shè)計完成的電路進(jìn)行檢測，作用就在于檢測設(shè)計完成的電路是否存在問題，例如：電源短接。檢測完成的結(jié)果如圖5.16所示。檢測結(jié)果均為0，說明電路正確。圖5.16 電路DRC檢測結(jié)果6 光照度計電路制作6.1 電路的焊接電路板制作成功后，我們就可以進(jìn)行電路板的焊接。需要焊接的元器件有：硅光電池一個，藍(lán)光LED燈珠2只，綠光LED燈珠2只，紅光LED燈珠一只，芯片LM741一塊，電位器一個，1K電阻2個，100K電阻一個，150電阻一個，220電阻一個，330電阻2個，470電阻一個，導(dǎo)線若干，9V干電池兩個。在進(jìn)行電路焊接時，使用的工具有電烙鐵，焊錫絲，松香等。焊接時必須按照PCB板電器位置擺放原件

43、，并正確的調(diào)整好正負(fù)極后，即可將元器件焊接上。本次焊接實(shí)物圖如圖6.1所示。圖6.1 電路焊接實(shí)物圖6.2 電路的調(diào)試及結(jié)果電路焊接完成后，我們就可以進(jìn)行電路的調(diào)試。對電路調(diào)試主要是檢測電路是否能按照預(yù)設(shè)的程序完成工作。調(diào)試使用的工具主要有：示波器，萬用表。調(diào)試的目的主要是看電路時否能夠能夠調(diào)零，是否能都根據(jù)輸入信號的變化產(chǎn)生相應(yīng)的效果。調(diào)試過程可以參靠圖6.2。圖6.2 電路調(diào)試本電路的工作過程如下：1、當(dāng)光照較強(qiáng)時，硅光電池能產(chǎn)生足夠的光電信號，再將其傳輸?shù)椒糯箅娐罚糯箅娐犯鶕?jù)接收到較強(qiáng)輸入信號的的強(qiáng)，驅(qū)使干電池輸出高電平。此時能滿足所有LED燈珠的工作電壓，所以LED燈珠全亮，且亮度較

44、高。2、當(dāng)光照適中時，硅光電池產(chǎn)生稍弱的光電信號，將其傳輸?shù)椒糯箅娐泛?，放大電路只能?qū)使干電池輸出適當(dāng)?shù)碾妷骸４藭r能滿足部分LED燈珠的工作電壓，所以LED燈珠只有藍(lán)綠燈亮，紅燈不亮。3、當(dāng)光照較弱時，硅光電池只產(chǎn)生很弱甚至沒有光電信號，由于放大電路接收不到輸入信號，所以也就沒有電壓輸出。此時所有LED燈珠全滅。本電路具體的工作效果可以參考圖6.4。（強(qiáng)）（適中）（弱）圖6.3 電路工作調(diào)試圖至此，此次實(shí)驗完成了實(shí)電路實(shí)物的制作，采用硅光電池實(shí)現(xiàn)光照度計的電路設(shè)計與分析過程就已經(jīng)結(jié)束了。本次設(shè)計出的電路能利用光照使硅光電池的輸出參數(shù)發(fā)生變化，從而驅(qū)動整個顯示電路的工作，成功的達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計要求與實(shí)驗效果?？偨Y(jié)硅光電池是一種直接把光能轉(zhuǎn)換成電能的半導(dǎo)體器件。它的結(jié)構(gòu)很簡單，核心部分是一個大面積的PN 結(jié)，把一只透明玻璃外殼的點(diǎn)接觸型二極管與一塊微安表接成閉合回路，當(dāng)二極管的管芯(PN結(jié))受到光照時，你就會看到微安表的表針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，顯示出回路里有電流，這個現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。硅光電池的PN結(jié)面積要比二極管的PN結(jié)大得多，所以受到光照時產(chǎn)生的電動勢和電流也大得多。硅光