光電計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)與制作

1、目錄TOC o 1-4 h u HYPERLINK l _Toc22528 摘要 PAGEREF _Toc22528 3 HYPERLINK l _Toc27034 第一章 光電轉(zhuǎn)換 Part PAGEREF _Toc27034 6 HYPERLINK l _Toc25933 1.1 光源的基本特性和選擇 PAGEREF _Toc25933 6 HYPERLINK l _Toc27483 1.1.1 熱輻射光源 PAGEREF _Toc27483 6 HYPERLINK l _Toc3501 1.1.2 氣體放電光源 PAGEREF _Toc3501 6 HYPERLINK l _Toc270

2、00 1.1.3 固態(tài)光源 PAGEREF _Toc27000 7 HYPERLINK l _Toc11588 1.1.4 激光 PAGEREF _Toc11588 7 HYPERLINK l _Toc15880 1.2光電探測(cè)器8 PAGEREF _Toc15880 HYPERLINK l _Toc12866 1.2.1 光伏探測(cè)器原理 PAGEREF _Toc12866 9 HYPERLINK l _Toc16395 1.2.2 光伏探測(cè)器特點(diǎn) PAGEREF _Toc16395 10 HYPERLINK l _Toc32111 1.2.3 快速硅PIN光電二極管 PAGEREF _Toc

3、32111 11 HYPERLINK l _Toc4453 1.3 光電信號(hào)輸出 PAGEREF _Toc4453 12 HYPERLINK l _Toc7855 第 2 章 計(jì)數(shù)電路 PAGEREF _Toc7855 13 HYPERLINK l _Toc833 2.1 十進(jìn)制計(jì)數(shù)電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc833 13 HYPERLINK l _Toc14054 2.2 顯示解碼電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc14054 15 HYPERLINK l _Toc9176 2.3 數(shù)字顯示 PAGEREF _Toc9176 16 HYPERLINK l _Toc398 第三章 光電計(jì)數(shù)

4、器電路的安裝與改進(jìn) PAGEREF _Toc398 17 HYPERLINK l _Toc1592 3.1 設(shè)備準(zhǔn)備 PAGEREF _Toc1592 17 HYPERLINK l _Toc15494 3.1.1 設(shè)備列表表 PAGEREF _Toc15494 17 HYPERLINK l _Toc2909 3.1.2 使用的其他儀器： PAGEREF _Toc2909 18 HYPERLINK l _Toc27496 3.2 電路連接 PAGEREF _Toc27496 18 HYPERLINK l _Toc31330 3.2.1 光電部分 PAGEREF _Toc31330 18 HYPE

5、RLINK l _Toc21009 3.2.2 計(jì)數(shù)第 PAGEREF _Toc21009 18節(jié) HYPERLINK l _Toc18270 3.2.3 顯示解碼部分 PAGEREF _Toc18270 19 HYPERLINK l _Toc5081 3.2.4 顯示部分 PAGEREF _Toc5081 19 HYPERLINK l _Toc1264 3.3 電路階躍測(cè)試 PAGEREF _Toc1264 20 HYPERLINK l _Toc23304 3.3.1 光電二極管測(cè)試 PAGEREF _Toc23304 20 HYPERLINK l _Toc5593 3.3.2 555定時(shí)器

6、測(cè)試 PAGEREF _Toc5593 20 HYPERLINK l _Toc17031 3.3.3 計(jì)數(shù)電路的測(cè)試 PAGEREF _Toc17031 20 HYPERLINK l _Toc10187 3.3.4 顯示電路測(cè)試 PAGEREF _Toc10187 20 HYPERLINK l _Toc28166 3.4 整體電路調(diào)試 PAGEREF _Toc28166 21 HYPERLINK l _Toc20844 3.5 光電轉(zhuǎn)換電路改進(jìn) PAGEREF _Toc20844 21 HYPERLINK l _Toc31845 3.5.1 阻抗匹配改進(jìn) PAGEREF _Toc31845 2

7、1 HYPERLINK l _Toc22985 3.5.2 光電計(jì)數(shù)器適用性的提高 PAGEREF _Toc22985 22 HYPERLINK l _Toc10483 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc10483 24 HYPERLINK l _Toc22269 到 PAGEREF _Toc22269 25概括數(shù)字計(jì)數(shù)器以其使用方便、計(jì)數(shù)準(zhǔn)確、顯示直觀等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各行業(yè)生產(chǎn)線上的物體計(jì)數(shù)。本文采用光電二極管接收激光光源發(fā)出的光信號(hào)，通過(guò)數(shù)字計(jì)數(shù)和顯示電路設(shè)計(jì)光電計(jì)數(shù)器。當(dāng)有物體通過(guò)光電二極管和激光器之間時(shí)，光束被阻擋，光電二極管的電壓發(fā)生變化。信號(hào)經(jīng)放大處理后，由計(jì)數(shù)電路和LED數(shù)碼

8、管顯示計(jì)數(shù)值。光電計(jì)數(shù)器可將機(jī)械或手動(dòng)計(jì)數(shù)方式轉(zhuǎn)換為電子自動(dòng)計(jì)數(shù)，具有很強(qiáng)的工業(yè)實(shí)用性。關(guān)鍵詞：光電二極管、激光器、計(jì)數(shù)器、LED數(shù)碼管介紹隨著自動(dòng)化技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)趨向于越來(lái)越自動(dòng)化。在生產(chǎn)線上，自動(dòng)化計(jì)數(shù)設(shè)備已經(jīng)普及。采用自動(dòng)化計(jì)數(shù)不僅可以提高生產(chǎn)計(jì)數(shù)的效率，還可以提高計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確性。對(duì)推動(dòng)工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化有很大的促進(jìn)作用。隨著生產(chǎn)自動(dòng)化、設(shè)備數(shù)字化、機(jī)電一體化的不斷發(fā)展，行業(yè)對(duì)光電計(jì)數(shù)器的需求量逐漸增加。因此，光電計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。光電子技術(shù)是一門以光電子學(xué)為基礎(chǔ)的課程，將光學(xué)技術(shù)、現(xiàn)代微電子技術(shù)、精密機(jī)械和計(jì)算機(jī)技術(shù)緊密結(jié)合，成為利用光獲取光學(xué)信息或提取其他信息的重要

9、手段。光電技術(shù)在現(xiàn)代科技、經(jīng)濟(jì)、軍事、文化、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮著極其重要的作用。以此為支撐的光電產(chǎn)業(yè)是當(dāng)今世界競(jìng)相發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，是競(jìng)爭(zhēng)激烈、發(fā)展最快的信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)。主力。隨著光電技術(shù)的飛速發(fā)展，半導(dǎo)體激光器、千萬(wàn)像素的CCD和CMOS固態(tài)圖像傳感器、PIN和APD光電二極管、液晶顯示器在工業(yè)和民用領(lǐng)域隨處可見(jiàn)。熱成像技術(shù)也已廣泛應(yīng)用于軍事和工業(yè)領(lǐng)域。場(chǎng)地。光電技術(shù)不斷滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的方方面面，成為信息社會(huì)的支撐技術(shù)之一。光電計(jì)數(shù)器主要分為光電檢測(cè)轉(zhuǎn)換部分和電子顯示部分。光電傳感器是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件，其工作的理論基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。光電效應(yīng)大致可分為三種：第一種是外部光電效應(yīng)，在光的照射下使

10、電子從材料表面逸出；第二類是光電效應(yīng)，在光的照射下改變材料的電阻率；第三種是光伏效應(yīng)，物質(zhì)在光的照射下產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換的器件主要有光電二極管、光電晶體管、光電倍增管、光電雪崩管等。光電計(jì)數(shù)器的工作原理是從光源發(fā)出集中的平行有效光。在流水線上，每出現(xiàn)一個(gè)物體，光就會(huì)被擋一次。受光器無(wú)法接收到光源信息，電路的光電流會(huì)降低。發(fā)生變化，信號(hào)處理后計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)一次，即通過(guò)一個(gè)設(shè)備。光電計(jì)數(shù)器常用于統(tǒng)計(jì)成品數(shù)量和參展人數(shù)。隨著計(jì)數(shù)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，出現(xiàn)了多種輔助計(jì)數(shù)功能。該多功能計(jì)數(shù)器具有響應(yīng)度高、功耗低、交直流兩種電源均可工作、無(wú)機(jī)械碰撞、無(wú)磨損、成本低等特點(diǎn)。還根據(jù)實(shí)際工作環(huán)境增加了很多個(gè)性化功

11、能，比如羊毛生產(chǎn)線上的斷線報(bào)警功能。通用計(jì)數(shù)器不僅可以測(cè)量頻率和周期，還可以測(cè)量多周期平均值、時(shí)間間隔、頻率比和累積。由于光電計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)理念的不斷創(chuàng)新，光電計(jì)數(shù)器的功能也在不斷發(fā)展。在電子計(jì)數(shù)器行業(yè)需求增長(zhǎng)放緩的市場(chǎng)環(huán)境下，光電計(jì)數(shù)器需要大力開發(fā)新產(chǎn)品以滿足客戶的不同需求，提高產(chǎn)品的性價(jià)比，以獲得更好的市場(chǎng)效益。光電轉(zhuǎn)換部分1.1 光源的基本特性和選擇光源在科學(xué)研究和工程技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用。在成分分析、結(jié)構(gòu)研究、光電檢測(cè)、照明設(shè)計(jì)等方面，某些類型的光源是密不可分的。因此，為了滿足各種高科技工作的實(shí)際需要，人們生產(chǎn)出了各種具有不同光學(xué)特性和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的光源。在光電技術(shù)系統(tǒng)中，光源通常起著關(guān)鍵作用

12、。因此，了解光源的基本特性參數(shù)，然后根據(jù)實(shí)際工作需要選擇合適的光源，是我們成功設(shè)計(jì)光電系統(tǒng)和解決光電檢測(cè)問(wèn)題的關(guān)鍵之一。光源的基本特性參數(shù)主要包括輻射效率和發(fā)光效率、光譜功率分布、空間光強(qiáng)分布、光源色溫、光源顏色等。在選擇光源時(shí)，會(huì)考慮以下基本要求： 1、對(duì)光源光譜特性的要求； 2、對(duì)光源發(fā)光強(qiáng)度的要求； 3、對(duì)光源穩(wěn)定性的要求； 4、對(duì)光源其他方面的要求。這種設(shè)計(jì)不需要使用特殊的光源，所以選擇是基于幾種常見(jiàn)光源的基本特性：1.1.1 熱輻射光源熱輻射光源是根據(jù)物體的熱輻射現(xiàn)象制造的。熱輻射光源具有三個(gè)特點(diǎn)： 1、通過(guò)普朗克公式可以準(zhǔn)確估算其發(fā)光特性，即可以準(zhǔn)確掌握和控制其發(fā)光或輻射特性； 2

13、.它們發(fā)出的光通量形成一個(gè)連續(xù)的光譜，光譜的圓周很寬，因此適應(yīng)使用。但在常溫下，紫外線和可見(jiàn)光的含量非常少，限制了這類光源的使用范圍； 3、采用適當(dāng)?shù)姆€(wěn)壓或恒流電源，可使該類光源的光輸出高度穩(wěn)定。花費(fèi)。1.1.2 氣體放電光源采用這種氣體放電原理制成的光源成為氣體放電光源。蜜蜂在電場(chǎng)的作用下激發(fā)氣泡殼的氣體或金屬氣體中的電子和離子。電子和離子從電場(chǎng)中獲得能量，分別向陰極和陽(yáng)極移動(dòng)。當(dāng)與氣體原子或分子碰撞時(shí)，會(huì)激發(fā)出新的電子和離子，從而引起原子的激發(fā)，被激發(fā)的原子回到較低的能級(jí)時(shí)會(huì)發(fā)出輻射，這就是氣體放電的原理。與白熾燈相比，具有發(fā)光效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、壽命長(zhǎng)、對(duì)光色適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，因此具有很強(qiáng)的

14、競(jìng)爭(zhēng)力，被廣泛應(yīng)用于光電技術(shù)和照明工程。1.1.3 固態(tài)光源固體在電場(chǎng)作用下直接將電能轉(zhuǎn)化為光能的發(fā)光現(xiàn)象稱為電致發(fā)光，又稱電致發(fā)光。電子儀器的固化和小型化，對(duì)新型成像技術(shù)和照明技術(shù)的需求，以及半導(dǎo)體材料、集成技術(shù)和光電技術(shù)的發(fā)展，極大地加速了電致發(fā)光光源的研究和應(yīng)用，不僅使人們獲得了完全固化的光源，為全固化顯示開辟了道路。目前，常見(jiàn)的EL有粉末、薄膜和結(jié)三種形式。具有電致發(fā)光能力的固體材料很多，但達(dá)到實(shí)際應(yīng)用水平的主要是II-VI和III-V族化合物半導(dǎo)體。 II-VI族化合物不僅是發(fā)光效率高的光致發(fā)光和陰極發(fā)光材料，也是目前實(shí)際應(yīng)用中唯一的粉末和薄膜電致發(fā)光材料。 III-V族發(fā)光材料廣泛

15、用于發(fā)光二極管。1.1.4 激光激光器一般由工作物質(zhì)、諧振腔和泵浦源組成。當(dāng)高能離子從高能態(tài)躍遷到低能態(tài)并產(chǎn)生輻射時(shí)，它在穿過(guò)受激原子時(shí)會(huì)產(chǎn)生同相同頻的輻射。當(dāng)這些輻射波沿兩個(gè)平面形成的諧振腔來(lái)回傳播時(shí)，沿軸來(lái)回反射的次數(shù)最多，會(huì)激發(fā)出更多的輻射，從而放大輻射能量。這樣，受激和放大的輻射可以通過(guò)部分投影的平面鏡輸出到腔外，從而產(chǎn)生激光。 1圖1顯示了激光器的工作原理。泵浦源泵浦源激光激光部分反射鏡全反射部分反射鏡全反射鏡圖 1. 激光的工作原理目前，已有數(shù)百種激光器研制成功。輸出波長(zhǎng)范圍從近紫外到遠(yuǎn)紅外，輻射功率范圍從幾毫瓦到幾萬(wàn)瓦。一般按工作物質(zhì)分類，激光器可分為氣體激光器、固體激光器、染料

16、激光器和半導(dǎo)體激光器等。氣體激光器有多種激發(fā)方式和最寬的發(fā)射波長(zhǎng)。固態(tài)激光器使用的工作物質(zhì)是一種具有特殊能力的優(yōu)質(zhì)光學(xué)玻璃或光學(xué)晶體，其中摻雜有具有發(fā)射激光能力的金屬離子。染料激光器使用燃料作為其工作物質(zhì)。半導(dǎo)體激光器的工作物質(zhì)是半導(dǎo)體材料。本實(shí)驗(yàn)要求光源能發(fā)出足夠強(qiáng)度的集中可見(jiàn)光，因此采用半導(dǎo)體激光器作為光源。半導(dǎo)體激光器是一類以半導(dǎo)體材料為工作物質(zhì)的激光器。由于材料結(jié)構(gòu)的不同，產(chǎn)生激光的具體過(guò)程比較特殊。常用的材料有砷化鎵（GaAs）、硫化鎘（CdS）、磷化銦（InP）、硫化鋅（ZnS）等。激發(fā)方式有電注入、電子束激發(fā)和光泵浦三種。半導(dǎo)體激光器件可分為同質(zhì)結(jié)、單異質(zhì)結(jié)和雙異質(zhì)結(jié)。同質(zhì)結(jié)激光

17、器和單異質(zhì)結(jié)激光器在室溫下多為脈沖器件，而雙異質(zhì)結(jié)激光器在室溫下可以連續(xù)工作。半導(dǎo)體激光器的工作原理是激發(fā)法，利用半導(dǎo)體物質(zhì)（即電子）在能帶之間躍遷發(fā)光，利用半導(dǎo)體晶體的解理面形成兩個(gè)平行的鏡面作為鏡面來(lái)形成諧振腔，使光發(fā)生振蕩、反饋和輻射光。產(chǎn)生光的輻射被放大，并輸出激光。半導(dǎo)體激光器的優(yōu)點(diǎn)是體積小、重量輕、工作可靠、功耗低、效率高。圖 2. 半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)與普通光源相比，激光具有光束集中、亮度高等優(yōu)點(diǎn)，因此本設(shè)計(jì)采用激光代替普通光源。1.2 光電探測(cè)器光電探測(cè)器是將輻射能轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的裝置，是光電系統(tǒng)的核心部件。它在光電系統(tǒng)中的作用是發(fā)現(xiàn)信號(hào)、測(cè)量信號(hào)并提取一些必要的信息以供后續(xù)應(yīng)用。

18、光電探測(cè)器根據(jù)探測(cè)機(jī)理的物理效應(yīng)可分為兩類：一類是利用各種光子效應(yīng)的光子探測(cè)器，一類是利用溫度變化效應(yīng)的熱探測(cè)器。由于光源使用的是可見(jiàn)光半導(dǎo)體激光器，因此檢測(cè)器使用光子檢測(cè)器。光子探測(cè)器可分為四種：光電子發(fā)射效應(yīng)也稱為光電效應(yīng)。入射輻射的作用是使電子從光電陰極表面發(fā)射到周圍空間，從而產(chǎn)生光電子發(fā)射。利用光電子發(fā)射效應(yīng)的探測(cè)器稱為光電子發(fā)射探測(cè)器，包括真空光電池、充氣光電池和光電倍增管。光電導(dǎo)是應(yīng)用最廣泛的光電效應(yīng)。被光子激發(fā)的載流子留在材料部分，所以光電導(dǎo)是一種光電效應(yīng)。利用光電導(dǎo)效應(yīng)的檢測(cè)器是光電導(dǎo)檢測(cè)器。1.2.1 光伏探測(cè)器原理光伏效應(yīng)是另一種廣泛使用的光電效應(yīng)，它是半導(dǎo)體受光照射而產(chǎn)生

19、電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。盡管外在光伏效應(yīng)也是可能的，但幾乎所有實(shí)用的光伏探測(cè)器都使用本征光伏效應(yīng)。同時(shí)使用了一個(gè)pn結(jié)來(lái)達(dá)到這個(gè)效果。當(dāng)入射光子在pn結(jié)處產(chǎn)生電子-空穴對(duì)時(shí)，光生載流子受到勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)的影響，電子漂移到n區(qū)，空穴漂移到p區(qū)。如果p區(qū)和n區(qū)在外電路短路，就會(huì)產(chǎn)生反向短路信號(hào)電流。如果外電路開路，光生電子和空穴將分別在n區(qū)和p區(qū)積累，并在兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，如圖3所示，稱為光伏效應(yīng)。圖 3. pn 結(jié)上的光激發(fā)無(wú)光時(shí)，若對(duì)PN結(jié)施加適當(dāng)?shù)姆聪螂妷海聪螂妷簳?huì)加強(qiáng)電場(chǎng)，加寬PN結(jié)的空間電荷區(qū)，增加勢(shì)壘；載流子被增強(qiáng)的電場(chǎng)拉開，光生電子被拉到N區(qū)，光生空穴被拉到P區(qū)，從而形成以少數(shù)載流子漂移運(yùn)動(dòng)為主的

20、光電流。圖4是Altium Designer 07 Winter軟件繪制的光電二極管工作電路圖，對(duì)光電二極管施加15V的反向偏置電壓。經(jīng)過(guò)仿真得到結(jié)果：無(wú)光照時(shí)，負(fù)載上的輸出電壓為低電平，有光照時(shí)，負(fù)載輸出電壓為高電平。圖 4. 光電二極管工作電路圖與普通二極管相比，光電二極管的受光面更大，PN結(jié)面積更大，PN結(jié)深度更淺；表面有抗反射SiO2保護(hù)層，外加負(fù)偏壓。其實(shí)并不是不能施加正向電壓，而是正極接后和普通二極管一樣，只是單向?qū)щ?，不表現(xiàn)出光電效應(yīng)。1.2.2 光伏探測(cè)器特點(diǎn)光電二極管的基本特性是照明特性、伏安特性、溫度特性和頻率特性。(1) 照明特性照度特性主要反映光電流與照度的關(guān)系。圖5是

21、光電流和照度的特性圖。從圖5可以看出，兩者的關(guān)系是：線性好；光電流??；靈敏度低。圖 5. 15V 反向偏壓下的照度特性曲線(2) 伏安特性光電二極管的伏安特性可以參考下圖，反向偏壓與光電流呈線性關(guān)系。圖 6. 光電二極管的伏安特性曲線(3) 溫度特性光電二極管的溫度特性描述了作為溫度函數(shù)的光電流和暗電流的特性。隨著硅光電二極管的溫度升高，信噪比降低。(4) 頻率特性光電二極管的頻率特性在所有半導(dǎo)體光電器件中名列前茅。這主要是由于光電二極管的結(jié)電容?。ㄐ∮?0F）；光生載流子在薄層中的擴(kuò)散時(shí)間和在PN結(jié)中的漂移時(shí)間很短，因此響應(yīng)頻率可以很高。1.2.3 快速硅PIN光電二極管本實(shí)驗(yàn)使用的光電二極

22、管為 GT106 快速硅 PIN 光電二極管。光電二極管的主要特點(diǎn)是響應(yīng)度高，響應(yīng)速度特別快；噪音低，性能穩(wěn)定可靠。PIN結(jié)光電二極管在p型和n型半導(dǎo)體之間增加了一個(gè)本征區(qū)，它的表面做得很薄，使入射輻射穿透到本征區(qū)被吸收，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。本征區(qū)的電場(chǎng)將電子-空穴對(duì)分開，并迅速穿過(guò)本征區(qū)，分別進(jìn)入n區(qū)和p區(qū)。該器件的頻率響應(yīng)和效率優(yōu)于相同材料制成的pn結(jié)光電二極管。圖 7. PIN 光電二極管結(jié)構(gòu)GT106型快速硅PIN光電二極管采用硅PIN外管復(fù)合結(jié)構(gòu)。為了保證極快的響應(yīng)速度，采用背面刻蝕的方法使I層盡可能的薄。這樣，當(dāng)載流子高速通過(guò)漂移區(qū)時(shí)，它們被外電路中的電極收集，產(chǎn)生光電流。外管用于將

23、慢速光生載流子短路，從而達(dá)到快速響應(yīng)的目的。GT106快速硅PIN光電二極管的光譜響應(yīng)曲線如圖8所示。圖 8. PIN 光電二極管的光譜響應(yīng)曲線1.3光電信號(hào)輸出實(shí)現(xiàn)光信號(hào)對(duì)電路的控制，即光電二極管持續(xù)點(diǎn)亮，有物體通過(guò)時(shí)遮光，輸出一次低電平，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)一次。光電轉(zhuǎn)換電路需要控制計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘輸入來(lái)產(chǎn)生矩形脈沖波。經(jīng)測(cè)試，GT106光電二極管的光電流在微安級(jí)。因此，在偏置電路中加一個(gè)1M歐姆的負(fù)載電阻，可以在無(wú)光時(shí)在負(fù)載電阻上輸出低電平，在有光時(shí)在負(fù)載電阻上輸出低電平。高水平。但負(fù)載上的輸出與計(jì)數(shù)器所需的時(shí)鐘信號(hào)相反，所以將負(fù)載的輸出接555定時(shí)器，然后控制計(jì)數(shù)器。555定時(shí)器是一種多用途數(shù)模混合

24、集成電路，可以很容易地構(gòu)成施密特觸發(fā)器、多諧振蕩器或單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。下面是555的引腳圖和功能表。圖 9. 555定時(shí)器的管腳圖及功能表I1和I2輸入端連在一起作為信號(hào)輸入端，可以得到施密特觸發(fā)器。施密特觸發(fā)器的輸出電壓 0從高電平變?yōu)榈碗娖?，與從低電平變?yōu)楦唠娖綄?duì)應(yīng)的 I也不同，從而形成了施密特觸發(fā)器的觸發(fā)特性。施密特觸發(fā)器的電壓傳輸特性是滯后的。傳輸特性圖如下：圖 10. 施密特觸發(fā)器的電壓傳輸特性根據(jù)以上分析，設(shè)計(jì)了一種光電轉(zhuǎn)換電路。使用仿真軟件繪制電路圖。第 2 章 計(jì)數(shù)電路2.1 十進(jìn)制計(jì)數(shù)電路設(shè)計(jì)光電計(jì)數(shù)器需要對(duì)光電信號(hào)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。 TTL 器件 74160 可用于實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制計(jì)數(shù)。

25、實(shí)現(xiàn)兩位數(shù)計(jì)數(shù)，低位計(jì)數(shù)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行到10?？傆?jì)數(shù)達(dá)到99后，會(huì)跳轉(zhuǎn)，從0開始計(jì)數(shù)。用兩個(gè)160組成一個(gè)計(jì)數(shù)電路。 74160的1號(hào)管腳懸空，2號(hào)管腳為時(shí)鐘輸入信號(hào)，3、4、5、6號(hào)管腳為預(yù)置數(shù)字端，可懸空可接零， 7號(hào)腳ENP和10號(hào)腳ENT只有接高電平后電路才能工作在計(jì)數(shù)狀態(tài)。引腳 11、12、13 和 14 是輸出信號(hào)端，引腳 15 是進(jìn)位輸出端。當(dāng)計(jì)數(shù)器產(chǎn)生進(jìn)位時(shí)，它會(huì)自動(dòng)輸出一個(gè)高電平。 74161的功能表如表1所示：表 1. 四位同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器 74160 功能表RDLD外星人EP操作模式大號(hào)XXXRESET（清除）清除H大號(hào)XXLOAD (Pn Qn) 組數(shù)HHHH計(jì)數(shù)（增量）H

26、H大號(hào)XNO CHANGE（保持）保持（不變）HHX大號(hào)NO CHANGE（保持）保持（不變）使用protues軟件繪制電路圖，然后進(jìn)行仿真。計(jì)數(shù)部分的電路圖如圖11所示：圖 11. 計(jì)數(shù)電路圖最初的設(shè)計(jì)方案是將低位 160 進(jìn)位輸出連接到高位時(shí)鐘輸入。仿真時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)計(jì)數(shù)達(dá)到9時(shí)，進(jìn)位輸出會(huì)輸出一個(gè)信號(hào)，導(dǎo)致高位提前計(jì)數(shù)。修改電路，在低位輸出信號(hào)為0000時(shí)輸出一個(gè)進(jìn)位脈沖。具體實(shí)現(xiàn)方法是在Q 0 Q 1 Q 2 Q 3端加一個(gè)NOT門，然后經(jīng)過(guò)四輸入AND門，然后將其作為高位計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)。修改后對(duì)電路進(jìn)行仿真，在計(jì)數(shù)器的四個(gè)輸出端增加一個(gè)示波器。波形輸出如圖12所示。波形輸出檢測(cè)正常，為二

27、進(jìn)制計(jì)數(shù)。圖 12. 計(jì)數(shù)器輸出波形仿真結(jié)果2.2 顯示解碼電路設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)電路的計(jì)數(shù)結(jié)果需要通過(guò)譯碼器連接到顯示電路。解碼器的邏輯功能是將每個(gè)輸入的二進(jìn)制代碼翻譯成相應(yīng)的輸出高、低電平信號(hào)或其他代碼。常用的解碼器電路有二進(jìn)制解碼器、二進(jìn)制十進(jìn)制解碼器和顯示解碼器。由于需要使用七段共陰極顯示數(shù)顯解碼管，因此計(jì)劃使用顯示解碼器7448。7448的附加控制臺(tái)的功能和用法如下：燈管測(cè)試輸入LT：LT=0，驅(qū)動(dòng)的數(shù)碼管7段可以同時(shí)點(diǎn)亮，檢查修改后的數(shù)碼管各段是否能正常發(fā)光。通常，LT 應(yīng)設(shè)置為高電平。過(guò)零輸入RBI：設(shè)置過(guò)零輸入信號(hào)RBI的目的是關(guān)閉不希望顯示的零。滅燈輸入/滅零輸出 BI/RBO：雙功能

28、輸入/輸出端子。當(dāng)作為輸入端使用時(shí)，就變成了關(guān)燈輸入控制端。當(dāng)控制信號(hào)為0時(shí)，可以轉(zhuǎn)動(dòng)被驅(qū)動(dòng)的數(shù)碼管。每個(gè)段同時(shí)熄滅。調(diào)零輸入端和調(diào)零輸出端配合使用，可以實(shí)現(xiàn)大多數(shù)數(shù)顯系統(tǒng)的調(diào)零控制。7448的顯示功能表如表2所示：表 2：用7448驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，用protues軟件畫出電路圖如圖13所示：圖 13. 顯示解碼電路2.3 數(shù)字顯示計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)解碼器后可在數(shù)碼管上顯示。為了直觀地表示數(shù)值，本實(shí)驗(yàn)采用七段字符顯示器，或七段數(shù)碼管。這個(gè)字符顯示是由七個(gè)發(fā)光線段拼接而成的。其中，比較常見(jiàn)的七段字符顯示器是半導(dǎo)體數(shù)碼管和液晶顯示器。半導(dǎo)體數(shù)碼管的外形圖如圖14所示。這種數(shù)碼管的每一條線段都是一個(gè)發(fā)光二極

29、管（Light Emitting Diode，簡(jiǎn)稱LED），所以也叫LED數(shù)碼管或LED七-段顯示。圖 14 七段數(shù)碼管外形圖發(fā)光二極管所用的材料不同于普通的硅二極管和鍺二極管，包括砷化鎵、磷化鎵和砷化鎵磷，而且半導(dǎo)體中的雜質(zhì)濃度很高。當(dāng)施加正向電壓時(shí)，大量空穴和電子在擴(kuò)散過(guò)程中復(fù)合，部分電子從導(dǎo)帶躍遷到價(jià)帶，將多余的能量以光的形式釋放出來(lái)，可以產(chǎn)生可見(jiàn)光光。數(shù)碼管有共陰極和共陽(yáng)極兩種。一起制成的陰極屬于共陰極型，一起制成的陽(yáng)極稱為共陽(yáng)極型。為了增加使用的靈活性，相同規(guī)格的數(shù)碼管一般有共陰極和共陽(yáng)極兩種供用戶選擇。具有管腳分布的數(shù)碼管等效電路圖如下：圖 15. 數(shù)碼管等效電路圖及引腳半導(dǎo)體數(shù)碼

30、管步進(jìn)具有工作電壓低、壽命長(zhǎng)、體積小、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，而且響應(yīng)時(shí)間很短（一般不超過(guò)0.1us），發(fā)光亮度也高，這很容易識(shí)別。使用仿真軟件仿真后，數(shù)碼管顯示的數(shù)值如圖16所示，其中紅色引腳代表高電平，藍(lán)色引腳代表低電平。圖 16. 數(shù)碼管模擬顯示結(jié)果第三章光電計(jì)數(shù)器電路的安裝與改進(jìn)3.1 設(shè)備準(zhǔn)備3.1.1 設(shè)備列表表表3設(shè)備名稱零件號(hào)評(píng)論光電二極管GT106型快速硅PIN光電二極管感應(yīng)波長(zhǎng) 4001100nm電源直流電源15V1電容10uF1滑動(dòng)變阻器200k_ _1反抗1M_ _1柜臺(tái)SN74LS161AN2顯示解碼器SN74LS247N2邏輯與門SN74HC08N1邏輯非門HD74HC04

31、P1七段LED數(shù)碼管SM21052555定時(shí)器CB55513.1.2 使用的其他儀器：數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)箱1個(gè)，萬(wàn)用表1個(gè)，半導(dǎo)體激光筆1個(gè)，電線數(shù)條。3.2 電路連接3.2.1 光電部分設(shè)備的連接是按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的電路進(jìn)行的。首先連接光電轉(zhuǎn)換電路。向光電二極管施加 15V 的反向偏置電壓。由于PIN管有3個(gè)管腳，位于中間的是1號(hào)管腳，接正電壓。與1號(hào)腳平行，右側(cè)為2號(hào)腳，1、2為管子，2號(hào)腳通過(guò)負(fù)載電阻與電源相連。 3腳為外管，通過(guò)負(fù)載電阻接地。連接光電二極管時(shí)，注意復(fù)合管外管的極性，管負(fù)載接信號(hào)輸出。電壓的極性不能接錯(cuò)，最大反向偏壓不能大于或等于擊穿電壓。負(fù)載使用 1M 電阻。負(fù)載電阻的輸出接5

32、55定時(shí)器的2號(hào)腳，2號(hào)腳和6號(hào)腳相連； 1號(hào)管腳接地； 4號(hào)腳為頻閃工作口，接高電平；引腳懸空； 7號(hào)腳懸空； 8號(hào)腳接高電平。3.2.2 計(jì)數(shù)部分原電路設(shè)計(jì)的計(jì)數(shù)部分是用74LS160十進(jìn)制計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)的，但實(shí)驗(yàn)室沒(méi)有74LS160，所以改用SN74LS161AN。 74LS161 是一個(gè)十六進(jìn)制計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)方法與74LS160相同，但基數(shù)不同。數(shù)到99后跳轉(zhuǎn)，需要改變電路，用兩片74LS161實(shí)現(xiàn)100系統(tǒng)計(jì)數(shù)。具體方法是：一塊74LS161作為低位，另一塊作為高位。使用歸零方法更改基數(shù)。當(dāng)?shù)臀挥?jì)數(shù)器的輸出狀態(tài)為 1010 時(shí)，它被復(fù)位并重新開始計(jì)數(shù)。輸出 Q3Q1 通過(guò)與非門連接到置零端

33、 RD。然后將RD通過(guò)非門連接到高位計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘輸入端CLK，作為時(shí)鐘信號(hào)輸入。當(dāng)?shù)臀惠敵鲞_(dá)到9時(shí)，輸出一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，高位計(jì)數(shù)器啟動(dòng)，開始計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)位功能。高位計(jì)數(shù)器通過(guò)與非門將輸出信號(hào)Q3Q0與置零端RD相連，保證計(jì)數(shù)到99時(shí)計(jì)數(shù)器跳變，重新從1開始計(jì)數(shù)。3.2.3 顯示解碼部分實(shí)驗(yàn)使用SN74LS247N作為顯示解碼器。 SN74LS247N的管腳編號(hào)及零件結(jié)構(gòu)如圖17所示：圖17.74LS247管腳號(hào)及零件結(jié)構(gòu)圖從圖中可以看出，74LS247的管腳和功能與7448相同，所以74LS247的連接可以參考原設(shè)計(jì)電路圖。將低位74LS247的RBO端連接到高位74LS247的RBI端，實(shí)現(xiàn)高

34、低位解碼。3.2.4 顯示部分顯示器采用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的LED七段數(shù)碼管SM2105。 SM2105是共陽(yáng)極數(shù)碼管。參照其工作電路，將數(shù)碼管的第3、8腳接正極+5V電壓，a、b、c、d、e、f、g的7個(gè)顯示段端口通過(guò)1000-接地歐姆電阻。同時(shí)連接到74LS247對(duì)應(yīng)的a、b、c、d、e、f、g端口。小數(shù)點(diǎn)輸入端口 DP 保持打開狀態(tài)。測(cè)試數(shù)碼管的顯示功能，將低電平分別接在a、b、c、d、e、f、g端口，看對(duì)應(yīng)的顯示段是否亮。經(jīng)測(cè)試，數(shù)碼管各段均可正常顯示。3.3 電路分步測(cè)試3.3.1 光電二極管測(cè)試斷開后續(xù)電路，只留下光電二極管的偏置電路，測(cè)試光電二極管能否正常工作。將萬(wàn)用表調(diào)到歐姆檔，測(cè)量光

35、電二極管的正反向電阻。理論上是正向?qū)ǎ憫?yīng)電阻無(wú)窮大，處于截止?fàn)顟B(tài)。然后將萬(wàn)用表調(diào)到電壓測(cè)量檔位，選擇量程為5V。測(cè)量負(fù)載的 1M 歐姆電阻兩端的電壓。用 HeNe 激光筆照亮光電二極管的光窗。無(wú)光時(shí)，二極管截止，測(cè)得電壓很??；有光時(shí)電壓接近5V。用邏輯筆測(cè)量。無(wú)燈時(shí)，邏輯筆顯示低電平，綠燈亮；有燈時(shí)，邏輯筆顯示高電平，紅燈亮。證明光電二極管能正常工作，光電轉(zhuǎn)換電路連接正確。3.3.2 555定時(shí)器測(cè)試555定時(shí)器具有脈沖整形功能。電路設(shè)計(jì)要求555定時(shí)器在輸入為低電平時(shí)輸出高電平，在輸入為高電平時(shí)輸出脈沖波形的低電平。因此，將定時(shí)器輸入口的2號(hào)腳接高電平，輸出端的3號(hào)腳接邏輯筆。此時(shí)邏輯筆

36、的綠燈亮，表示輸出為低電平。再講2腳接地或接-5V電壓，邏輯筆紅燈亮，表示輸出與AND變?yōu)楦唠娖?。由此?55定時(shí)器可以正常工作。3.3.3 計(jì)數(shù)電路測(cè)試計(jì)數(shù)電路獨(dú)立于光電轉(zhuǎn)換解碼顯示電路進(jìn)行測(cè)試。將計(jì)數(shù)器低電平集成塊74LS161的時(shí)鐘輸入端，即2號(hào)腳接實(shí)驗(yàn)盒自帶的脈沖信號(hào)，調(diào)整輸入頻率為1KHz。計(jì)數(shù)器的輸出端共有8個(gè)引腳，按從高到低的順序分別連接到實(shí)驗(yàn)箱的8個(gè)邏輯電平顯示燈。當(dāng)輸入為高電平時(shí)，顯示屏燈會(huì)發(fā)光。打開實(shí)驗(yàn)箱電源，自動(dòng)輸入脈沖?？梢钥吹斤@示燈從00000001開始計(jì)數(shù)，顯示00001001后，高電平開始計(jì)數(shù)，下一狀態(tài)為00010000。計(jì)數(shù)值為10011001后，下一值跳轉(zhuǎn)，再

37、次開始計(jì)數(shù)。表示計(jì)數(shù)電路能正常工作，基極接線正確。3.3.4 顯示電路測(cè)試計(jì)數(shù)電路之前已經(jīng)測(cè)試過(guò)，所以可以用計(jì)數(shù)電路測(cè)試顯示電路。連接計(jì)數(shù)電路和顯示電路，然后將時(shí)鐘脈沖連接到低位計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘輸入端，觀察數(shù)顯管的數(shù)值。顯示管的數(shù)字從1開始數(shù)到99，然后跳到1再數(shù)。數(shù)碼管低位左下角的時(shí)鐘處于關(guān)閉狀態(tài)。經(jīng)檢查，由于e口與74LS247的連接線松動(dòng)，一直沒(méi)有信號(hào)輸入。更換導(dǎo)線后，重新測(cè)試。數(shù)碼管從1開始顯示，一直到99后跳轉(zhuǎn)，再?gòu)?開始顯示。沒(méi)有亂碼和熄燈現(xiàn)象，顯示部分工作正常。3.4 整體電路調(diào)試將電路的各個(gè)部分連接起來(lái)，將連續(xù)的激光照射到光電二極管的光窗上。打開實(shí)驗(yàn)盒的電源，理論上這個(gè)時(shí)候應(yīng)該是沒(méi)

38、有顯示的。關(guān)閉光源開關(guān)，顯示應(yīng)變?yōu)?1，但實(shí)際上數(shù)碼管不正常顯示。電路工作不正常，需要檢查。斷開實(shí)驗(yàn)箱電源，檢查各接口線是否有松動(dòng)現(xiàn)象。確認(rèn)線材連接牢固后，排除接觸不良的可能，測(cè)量電路參數(shù)。計(jì)數(shù)部分是數(shù)字電路，前面的測(cè)試沒(méi)有問(wèn)題。因此只需要測(cè)量光電部分。使用萬(wàn)用表測(cè)量負(fù)載兩端的電壓。光電部分不接計(jì)數(shù)部分和顯示部分時(shí)，電壓仍為正常的高低電平值。但是，當(dāng)光電部分作為輸出連接到后續(xù)電路時(shí)，負(fù)載上的電壓立即發(fā)生變化。給光電二極管加光后，負(fù)載電壓只有輕微的變化，高低電平之間沒(méi)有明顯的分界線。因此，對(duì)于555定時(shí)器來(lái)說(shuō)，這個(gè)微小的電壓變化不足以讓555定時(shí)器交替輸出高低電平，計(jì)數(shù)器也無(wú)法接收到脈沖信號(hào)，所

39、以不會(huì)產(chǎn)生計(jì)數(shù)值。我們來(lái)分析一下造成這種現(xiàn)象的原因。光電轉(zhuǎn)換部分單獨(dú)工作時(shí)工作正常，但接上計(jì)數(shù)顯示電路時(shí)不能正常輸出?？紤]到本實(shí)驗(yàn)使用阻性負(fù)載上的電壓作為信號(hào)源輸出，當(dāng)接上后級(jí)電路時(shí)，相當(dāng)于接了一個(gè)電路模塊與1M歐電阻并聯(lián)，后級(jí)電路模塊的總電阻為遠(yuǎn)小于1M歐姆，這與負(fù)載電阻不同。并聯(lián)后阻值會(huì)降低，相當(dāng)于光電二極管的負(fù)載只有10K左右，光電二極管的光電流極小，在微安量級(jí)。負(fù)載降低后，光生電壓只有毫伏量級(jí)，不足以控制555定時(shí)器。因此，考慮到光電轉(zhuǎn)換部分的高電阻，需要對(duì)電路進(jìn)行修改。3.5 光電轉(zhuǎn)換電路的改進(jìn)3.5.1 阻抗匹配改進(jìn)為了不改變光電二極管的負(fù)載，只能避開后續(xù)電路的電阻。 555定時(shí)器的輸出端和選通端RD之間只有幾個(gè)邏輯門。 555定時(shí)器的三個(gè)5K歐電阻不接電路，不會(huì)影響二極管的負(fù)載。因此，負(fù)載輸出可以接RD直接控制555定時(shí)器的啟動(dòng)和關(guān)閉。 555高電平開啟，低電平關(guān)閉。理論要求有光時(shí)不計(jì)數(shù)，發(fā)生光遮擋時(shí)計(jì)數(shù)一次，即輸出低電平時(shí)產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，高電平停止計(jì)數(shù)。 555 定時(shí)器需要在啟動(dòng)時(shí)只產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘輸入。根據(jù)以上要求，555定時(shí)器可外接低頻