光電技術(shù)實(shí)驗(yàn) (2)課件

光電技術(shù)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容1、CdS光敏電阻的性能測(cè)試。2、硅光電池負(fù)載特性測(cè)試。3、光電二極管及光電三極管光照特性測(cè)試。4、光電倍增管特性和參數(shù)測(cè)試。5、光電耦合器件的應(yīng)用。6、單通道紅外遙控系統(tǒng)的制作與應(yīng)用。7、熱釋電器件在光電技術(shù)中的應(yīng)用。8、面陣CCD的工作原理和應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)課要求1）作好預(yù)習(xí)，結(jié)合已學(xué)的理論知識(shí)，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理與方法。2）保證人身安全，愛護(hù)實(shí)驗(yàn)器材，嚴(yán)格按實(shí)驗(yàn)操作方法動(dòng)手實(shí)驗(yàn)。3）細(xì)心觀察，實(shí)事求是作好實(shí)驗(yàn)記錄；進(jìn)行結(jié)果分析和驗(yàn)證。4）按要求按時(shí)完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。例：小實(shí)驗(yàn)

1.5VD1D2V1V2用500型萬(wàn)用表DC2.5V檔（表內(nèi)阻50KΩ）分別測(cè)試V1和V2，得三結(jié)果：V1=0VV2=1.5VV1=0VV2=1.3VV1=0VV2=0V試分析：三個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否正確呢？如何驗(yàn)證呢？實(shí)驗(yàn)一CdS光敏電阻的性能測(cè)試

光敏電阻的工作原理、電路符號(hào)及常用蛇形結(jié)構(gòu)CdS光敏電阻

的光照特性曲線和伏安特性曲線

光照特性曲線伏安特性曲線實(shí)驗(yàn)暗箱的照度控制旋鈕

固定部分調(diào)整部分十位與個(gè)位讀數(shù)刻度百位讀數(shù)窗讀數(shù)標(biāo)記點(diǎn)實(shí)驗(yàn)暗箱的照度控制刻度對(duì)照表

CdS光敏電阻性能測(cè)試裝置

注：1、蓋好實(shí)驗(yàn)暗箱上蓋以避免外界光照的影響。2、照度值按“照度調(diào)節(jié)”旋鈕的讀數(shù)參照對(duì)應(yīng)表格決定。CdS光敏電阻時(shí)間響應(yīng)測(cè)試時(shí)

示波器的使用注意點(diǎn)

1、示波器CH1接“Lightwave”，探頭應(yīng)置“X10”。2、示波器CH2接“I－out”，探頭置“X10”或置“X1”。3、同步置于“CH1”。4、兩個(gè)輸入端應(yīng)該置于“DC”檔。5、“MODE”選擇先置于“CH1”，調(diào)節(jié)出穩(wěn)定的波形；再置于“CH2”或置“DUAL”(“CHIP”按下)來(lái)觀測(cè)。6、注意“SWP.VOR”旋鈕順時(shí)針轉(zhuǎn)到底（CAL位置）。實(shí)驗(yàn)二硅光電池負(fù)載特性測(cè)試工作原理及電路符號(hào)伏安特性曲線

硅光電池硅光電池的負(fù)載特性在某一照度下，硅光電池的輸出端電壓U及輸出電流I隨著負(fù)載電阻而變化，因此，其輸出功率P＝UI與負(fù)載電阻RL的阻值有關(guān)。當(dāng)RL等于最佳負(fù)載電阻Ropt情況下可獲得最大的輸出功率。在工程計(jì)算中，常按照經(jīng)驗(yàn)公式，即當(dāng)負(fù)載電阻為最佳負(fù)載電阻值時(shí)，輸出電壓U＝（0.6－0.7）Uoff。最佳負(fù)載電阻值與入射光通量有關(guān)，它隨入射光通量的增大而減少。實(shí)驗(yàn)三光電二極管及光電三極管光照特性測(cè)試光電二極管工作原理及電路符號(hào)伏安特性曲線

光電三極管工作原理及電路符號(hào)伏安特性曲線

光電三極管的負(fù)載特性測(cè)試裝置

注：電流指示用200mV電壓表并聯(lián)取樣電阻的方法，因取樣電阻值為100Ω，故電壓表指示1mV等效為10μA。

實(shí)驗(yàn)四

光電倍增管特性和參數(shù)測(cè)試

光電倍增管的工作原理及典型各極供電電路931A光電倍增管（側(cè)窗管）

倍增極系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：9級(jí)鼠籠形

主要性能數(shù)據(jù)：

光譜響應(yīng)范圍300－650nm最大響應(yīng)波長(zhǎng)400nm光陰極（不透明）銻銫光陰極陰極最小有效尺寸8x24mm陽(yáng)極脈沖上升時(shí)間2.2nS極限工作條件陽(yáng)極與陰極間的電壓1250VDC第1倍增極與陰極間的電壓250VDC

平均陽(yáng)極電流0.1mA環(huán)境溫度范圍-80～+50℃光電倍增管陰極靈敏度的測(cè)量電路

注意：施加的電壓不得超過(guò)250V，以免損壞光電倍增管。

光電倍增管陽(yáng)極靈敏度的測(cè)量電路

實(shí)驗(yàn)五光電耦合器件的應(yīng)用

一、對(duì)射式光電耦合開關(guān)的結(jié)構(gòu)及電路符號(hào)

光電耦合器件進(jìn)行信號(hào)的傳輸實(shí)驗(yàn)電原理圖

要求：在傳輸正弦信號(hào)時(shí)調(diào)整VR02、VR03使信號(hào)輸出最大而失真最小，分析此時(shí)“信號(hào)輸出”點(diǎn)的正弦信號(hào)幅度和其直流電壓的關(guān)系。使用光電耦合器件模擬人員進(jìn)出自動(dòng)計(jì)數(shù)控制

模擬人員進(jìn)出自動(dòng)計(jì)數(shù)控制實(shí)驗(yàn)的要求

1、觀察并分析如果小動(dòng)物通過(guò)人員進(jìn)出自動(dòng)計(jì)數(shù)控制系統(tǒng)時(shí)，由于不能同時(shí)遮擋K1、K2，是否會(huì)造成誤計(jì)數(shù)？2、觀察并分析人員進(jìn)出時(shí)于半途退回的情況下系統(tǒng)是否會(huì)誤計(jì)數(shù)？CD4013雙D觸發(fā)器的連接圖與真值表

CD40193二進(jìn)制可預(yù)置可逆計(jì)數(shù)器

CD40193的連接圖CD40193的工作波形圖加計(jì)數(shù)減計(jì)數(shù)MRPLP0P1P2P3CPUCPDQ0Q1Q2Q3TCUTCD注意：可控硅一般應(yīng)用于交流的控制，在直流電路中接通后不能控制其斷開。

光控雙向可控硅使用光控雙向可控硅控制燈光照明實(shí)驗(yàn)六

單通道紅外遙控系統(tǒng)的制作與應(yīng)用

紅外線發(fā)射單元紅外線接收及信號(hào)處理單元受控制單元紅外線

紅外線遙控系統(tǒng)工作原理

555集成電路

VR≥Vct（即2Vcc/3）時(shí)，R＝1，Vo＝0，D對(duì)地短路；Vs≤Vcc/3時(shí)，S＝1，Vo＝1，D對(duì)地?cái)嗦贰?MR為優(yōu)先復(fù)位端，/MR為“0”時(shí)，Vo＝0，D對(duì)地短路；555多諧振蕩器電原理圖

振蕩頻率f=1.49/(2R1＋R2)C占空比D＝（R1＋R2）/（2R1＋R2）單通道紅外線遙控系統(tǒng)發(fā)射單元電原理圖

元器件參數(shù)：R1、R2：RJ-4K3R3：RJ-1K2R4：RJ-33VR1：3323-10KC1：2200p（滌綸）C2：103（滌綸）C3：10μF（電解）U1：NE555（DIP8）Q1：2SA1015（TO92）D1：PH303（φ5）SW1：按鍵微動(dòng)開關(guān)6x6x7單通道紅外線遙控系統(tǒng)接收單元電原理圖CD4017及其工作波形圖直流電機(jī)正反向驅(qū)動(dòng)電原理圖實(shí)驗(yàn)七

熱釋電器件在光電技術(shù)中的應(yīng)用

熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)及內(nèi)部電氣連接

熱釋電紅外探測(cè)/控制系統(tǒng)的組成框圖

活動(dòng)人員發(fā)出的紅外輻射經(jīng)菲涅爾透鏡聚焦至熱釋電探測(cè)器，輸出交變的超低頻信號(hào)（一般為0.1－10Hz）；由于信號(hào)非常微弱，必須經(jīng)過(guò)高增益的低噪聲放大器進(jìn)行放大，同時(shí)為了抑制其它物體輻射來(lái)的紅外干擾信號(hào)，放大器設(shè)計(jì)為0.2－7Hz低頻帶通放大器，只放大活動(dòng)人員的信號(hào)。為有效的對(duì)外來(lái)干擾信號(hào)及隨機(jī)噪聲進(jìn)行分離，降低系統(tǒng)的誤報(bào)率以提供可靠性，將低通放大器輸出的動(dòng)態(tài)模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)電平比較處理，只有當(dāng)信號(hào)超過(guò)設(shè)定的電平時(shí)，比較器才輸出高電平。這個(gè)高電平就可用于觸發(fā)各種控制單元以完成系統(tǒng)的各種功能。熱釋電紅外傳感器的前置放大與窗口比較器用熱釋電紅外傳感器控制的節(jié)能燈555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電原理圖

暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間T=1.1RC用熱釋電紅外傳感器控制的報(bào)警器注：1、U1的電源端未畫出，但在Protel中默認(rèn)是VCC。2、U2為蜂鳴器。實(shí)驗(yàn)七的實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1、記錄“報(bào)警器模塊”和“節(jié)能燈模塊”的工作過(guò)程。2、兩個(gè)模塊各有什么功能？分析其電路是如何實(shí)現(xiàn)這些功能的？3、回答實(shí)驗(yàn)講義上兩個(gè)思考題。實(shí)驗(yàn)八

面陣CCD的工作原理及應(yīng)用

（一）電視基礎(chǔ)知識(shí)1、圖像與像素2、掃描3、同步4、彩色的三基色原理5、視頻信號(hào)的波形像素與圖像的傳輸圖像與像素：

一幅圖像可以被分割成許多獨(dú)立小單元，這些小單元只是一個(gè)個(gè)不同顏色及亮度的點(diǎn)。組成圖像的最小單元稱為像素（圖像被分割的像素?cái)?shù)越多，圖像質(zhì)量越好）。圖像的傳輸：

采用極多的傳輸通道來(lái)同時(shí)傳輸各像素通常是不可能的，只能把所有像素的信息按時(shí)間順序用同一條傳輸通道進(jìn)行傳輸。這條傳輸通路輪流的接通每一對(duì)相應(yīng)的光電單元和發(fā)光單元。只要輪流的速度足夠快，由于人眼的視覺暫留特性，看起來(lái)好像是所有的像素同時(shí)發(fā)光，顯示出完整的畫面。像素順序傳送示意圖圖像的傳輸－掃描

順序的分解像素和綜合像素的過(guò)程，稱為掃描。圖像需經(jīng)掃描才能輸出一維時(shí)序信號(hào)（即視頻信號(hào)）進(jìn)行傳輸，視頻信號(hào)也需經(jīng)掃描才能恢復(fù)原圖像。傳統(tǒng)的掃描方式是基于電視系統(tǒng)中電子束攝像管和顯像管的電子束掃描，按從左向右、從上向下的規(guī)律進(jìn)行，掃完第一幅后掃第二幅，如此循環(huán)。從左向右的掃描稱為行掃描、從上向下的掃描稱為場(chǎng)掃描。圖像的傳輸－掃描

為了充分覆蓋矩形圖像面，采用勻速的單向直線掃描方式。掃描只在單個(gè)方向掃描（正程）時(shí)才傳送圖像信息，朝相反方向掃描（逆程）只傳送同步信息，也稱“回掃”或“消隱”。由于人眼的視覺暫留特性，當(dāng)掃描速度足夠快，使換幅頻率既高于活動(dòng)景物運(yùn)動(dòng)連續(xù)感所需的頻率，又高于臨界閃爍頻率，則接收到的是既有連續(xù)感又無(wú)閃爍感的活動(dòng)景象。

攝像管的工作原理示意圖顯像管的工作原理示意圖圖像掃描的同步

要求收發(fā)兩端的掃描規(guī)律必須嚴(yán)格一致，稱為同步：1）兩端的掃描速度必須相同，稱作同頻。2）兩端每行、每場(chǎng)的掃描起始時(shí)刻相同，稱同相。圖像信號(hào)掃描的不同步現(xiàn)象示意（a）原圖像（b）行不同頻（c）行、場(chǎng)均不同相

電視制式

行、場(chǎng)掃描的速度、周期等都有嚴(yán)格的規(guī)定，同時(shí)為確保行、場(chǎng)掃描的同步，還必須設(shè)定行與場(chǎng)的同步控制脈沖。這些規(guī)定被稱為電視制式。我國(guó)的電視制式為PAL－D，規(guī)定掃描行頻15625Hz（行周期64μS、行逆程時(shí)間12μS）、場(chǎng)頻50Hz（場(chǎng)周期20mS、場(chǎng)逆程時(shí)間1.6mS、每場(chǎng)掃描312.5行），一幀圖像由奇、偶兩場(chǎng)組成，實(shí)現(xiàn)隔行掃描模式。幀頻（每秒圖像改變數(shù)）為25Hz、每幀掃描625行。還有對(duì)圖像、伴音、彩色編碼等的規(guī)定，如伴音采用調(diào)頻方式、伴音副載頻6.5MHz、彩色編碼采用逐行倒相方式、彩色副載頻4.433MHz等。隔行掃描的圖像

第一場(chǎng)第二場(chǎng)

彩色基本知識(shí)

彩色與光光有單色光與復(fù)合光。太陽(yáng)光隨波長(zhǎng)由長(zhǎng)到短所呈現(xiàn)的顏色依此為：紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫。決不能以顏色來(lái)判斷光譜的分布。一定的光譜分布表現(xiàn)為一定的顏色，但同一顏色則可由不同光譜分布而獲得。彩色三基色原理

自然界中絕大多數(shù)彩色可用三種不同顏色的單色光按一定比例混合得到，這三種顏色就稱為三基色。彩電中三基色為紅(R)、綠(G)、籃(B)三幅基色圖像組成彩條彩色圖像的攝取

彩色圖像的重現(xiàn)

圖像與其相應(yīng)的視頻行波形1

點(diǎn)子圖像格子圖像圖像與其相應(yīng)的視頻行波形2

棋盤圖像彩條圖像（二）CCD（電荷耦合器件）圖像傳感器

CCD圖像傳感器的基本結(jié)構(gòu)是脈沖控制下的MOS電容器陣列，具有電荷耦合、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)移功能。

CCD單元的控制柵極處于高電平時(shí)，其下面形成深勢(shì)阱，

MOS電容可以存儲(chǔ)電荷；而當(dāng)控制柵極處于低電平時(shí)，其下面的勢(shì)阱不能存儲(chǔ)電荷，原存儲(chǔ)的電荷即要轉(zhuǎn)移出去。在各控制柵極加上驅(qū)動(dòng)脈沖，即可以實(shí)現(xiàn)各單元間信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)移。CCD相鄰單元2、3在驅(qū)動(dòng)脈沖Φ2、Φ3作用下的電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程隔列轉(zhuǎn)移型面陣CCD隔列轉(zhuǎn)移型面陣CCD的自掃描

隔列轉(zhuǎn)移型面陣CCD按電視制式的時(shí)序工作（自掃描）；在場(chǎng)正程期間像敏單元進(jìn)行光積分，此時(shí)轉(zhuǎn)移柵的低電位將像敏單元與垂直移位寄存器隔開；進(jìn)入場(chǎng)逆程時(shí)，轉(zhuǎn)移柵的正脈沖將像敏單元的信號(hào)電荷同時(shí)平行的轉(zhuǎn)移到垂直移位寄存器；在下一個(gè)場(chǎng)正程期間，垂直移位寄存器在垂直驅(qū)動(dòng)脈沖ΦV1－ΦV4的驅(qū)動(dòng)下一行行地將信號(hào)電荷向水平移位寄存器轉(zhuǎn)移；同時(shí)，其水平移位寄存器由水平驅(qū)動(dòng)脈沖ΦH1、ΦH2驅(qū)動(dòng)，在行正程期間快速地將信號(hào)送到輸出放大器輸出。隔列轉(zhuǎn)移型面陣CCD各驅(qū)動(dòng)脈沖的波形

A段A段波形展開圖：

A段波形展開圖Y:0.5V/divSWP:10uS/div(X10MAG)0.2uS/div(X10MAG)垂直移位寄存器結(jié)構(gòu)示意圖垂直移位寄存器在垂直驅(qū)動(dòng)脈沖ΦV1－ΦV4的驅(qū)動(dòng)下一行行地將信號(hào)電荷向水平移位寄存器轉(zhuǎn)移單片彩色CCD攝像機(jī)原理圖

單片彩色CCD

單片彩色CCD感光單元的結(jié)構(gòu)為三層：

第一層是“微型鏡頭”，為擴(kuò)展CCD的采光率，必須擴(kuò)大各像素的受光面積。在感光層前加