光照度计设计仿真与研究.docx
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光照度计设计仿真与研究.docx
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光照度计设计仿真与研究
西安邮电学院
生产实习报告书
系部名称
:
电子工程学院光电子技术系
学生姓名
:
张璐(26)
专业名称
:
光信息科学与技术
班级
:
光信息0904
时间
:
2013年02月25日至2013年03月08日
光照度计设计仿真与制作
一、设计目的:
1、利用硅光电池将接收到的光信号转换成电信号;
2、利用A/D转换器ICL7107将输入的模拟电压信号转化成数字信号;
3、通过LED共阳极数码管将该输出值直接显示,由此构成数字照度计。
二、设计思路:
1、照度(Luminosity)是指物体被照面单位时间内所接受的光通量,采用单位面积所接受的光通量来表示,表示单位为勒克斯(Lux,lx);
2、数字照度计是用于测量被照面上的光照度的仪器,是光学测量中用得最多的仪器之一。
本设计的照度计由光度头和读数显示器两部分。
(一)、光度头的设计:
光度头又称光探头,主要是用于接受光信号,然后通过硅光电池把它转化成电信号,再通过分压电路转化成A/D转化器ICL7107可接受的信号。
光度头由硅光电池、电阻和滑动变阻器组成,如图l所示。
其中
、
,
、
为换档及反馈电阻,
为可调电阻,
为运算放大器,可调电阻
外接数字电压表:
(二)、显示器的设计:
显示器是把模拟信号转化成数字信号,并通过数码管显示出相应的照度值。
主要由A/D转化器ICL7107,共阳极数码管构成。
如上图。
其中:
和
构成输入端阻容滤波电路,
和
构成分压电路,
和
分别是积分电阻和积分电容,
和
分别为基准电容和自动调零电容,分别为振荡电阻和电容。
三、器件清单:
名称
型号
数量(个)
硅光电池
1
A/D芯片
ICL7107
1
运放
LF411cn
1
电阻
24kΩ
1
120kΩ
1
330Ω
1
1MΩ
1
470KΩ
1
可变电阻器
500KΩ
1
100KΩ
1
200KΩ
1
电容
100PF
1
CBB电容
0.01uF
1
0.1Uf
1
1uF
1
0.047uF
1
0.22uF
1
共阳极的数码管
4
四、设计原理:
该数字照度计利用硅光电池将接收到的光信号转换成电信号,再通过7/2双积分型A/D转换器ICL7107对输入的模拟电压、参考电压分别进行两次积分,将输入电压平均值变成与之成正比的时间间隔,然后再利用脉冲时间间隔,进而得出相应的数字型输出,最后由LED共阳极数码管将该输出直接显示。
(一)、硅光电池光电信号接收端的工作原理:
图3是光电池的工作原理框图,光电池把接收到的光信号转变为与之成正比的电流信号,再经I/V转换模块把光电流信号转换成与之成正比的电压信号。
当发送的光信号被正弦信号调制时,则光电池输出电压信号中将包含正弦信号,据此可通过示波器测定光电池的频率响应特性。
(二)、双积分型A/D转换器ICL7107的工作原理:
ICL7107的原理框图如下图,它包括积分器、比较器、计数器、控制逻辑和时钟信号源。
1、积分器是A/D转换器的心脏,在一个测量周期内,积分器先后对输入信号电压和基准电压进行两次积分;
2、比较器将积分器的输出信号与零电平进行比较,比较的结果作为数字电路的控制信号;
3、时钟信号源的周期t作为测量时间间隔的标准时间。
它是由内部的两个反向器以及外部的
、
组成的,其振荡周期t=2.2RC;
4、计数器对反向积分过程的时钟脉冲进行计数。
控制逻辑包括分频器、译码器、相位驱动器、控制器和锁存器。
分频器用来对时钟脉冲逐渐分频,得到所需的计数脉冲工和共阳极LED数码管公共电极所需的方波信号fco;
5、译码器为BCD-7段译码器,将计数器的BCD码译成LED数码管七段笔画组成数字的相应编码;
6、驱动器是将译码器输出的对应于共阳极数码管七段笔画的逻辑电平变成驱动相应笔画的方渡;
7、控制器的作用有:
一是识别积分器的工作状态,适时发出控制信号,使各模拟开关接通或断开,A/D转换器能循环进行;二是识别输入电压极性,控制LED数码管的负号显示;三是当输入电压超量限时发出溢出信号,使千位显示“l”,其余码全部熄灭;
8、锁存器用来存放A/D转换的结果,锁存器的输出经译码器译码后驱动LED。
它的每个测量周期包括自动调零(AZ)、信号积分(1NT)和反向积分(DE)3个阶段。
第一阶段:
自动调零阶段。
转换开始前(转换控制信号V。
=o),先将计时器清零,并接通开关
,使积分电容C完全放电。
第二阶段:
信号积分。
令开关S,合到输入信号VIN一侧,积分器对V。
N进行固定时间丁,的积分,积分结果为
上式说明,在T1固定条件下V0与Vin成正比。
第三阶段:
反向积分。
令开关S,转至参考电压V。
EF一侧,积分器反向积分。
如果积分器的输出电压上升至零时,所经过的积分时间为T2,则可得
故有:
可见,反向积分到V0=0的这段时间T2与ⅥN成正比。
时钟脉冲的周期为R,计数器在T2时间内计数值为N,T2=NTc,则有
分析可知:
T1、Tc、VREF均固定不变,计数值N仅与Vin成正比,实现了模拟量到数字量的转变。
下面介绍A/D转化过程的时间分配。
假设时钟脉冲频率为40kHz,每个周期为4000
,如图5所示,每个测量周期中3个阶段工作自动循环。
各阶段时间分配如下:
信号积分时间T1用1000Tc;信号反向积分时间T2用O~2000Tc,这段时间的长短是由Vm的大小决定;自动调零时间To用l000~3000Tc。
从上面的分析可知,T1是固定不变的,T2随V1N的大小而改变。
选基准电压VREF=100.0mV,由式(3),得:
Vin=0.1N(mV)。
满量程时N=2000,同样由上式可导出满量程时Vin与基准电压的关系为Vin=2VnEF。
为了提高仪表的抗干扰能力,通常选定的采样时间T1为工频周期的整数倍。
我国采用50Hz交流电网,其周期为20ms,应选Tl=nx20ms,n=1,2,3……,n越大,对串模干扰的抑制能力越强,但n变化越大,A/D转换的时间越长。
因此,一般取T1=100ms。
由Tc=2.2RC可知,当振荡周期T0为定值时,阻容元件的选取并不唯一,只要满足要求即可。
五、实验步骤:
1、按照光度头和显示器的电路连接电路图;
2、调试及测试;
(1)、光度头的调试;
(2)、数字电压表的调试;
(3)、照度计的定标。
六、心得体会:
在这次实验中,首先要设计好电路图,然后仔细连接号电路图,对自己的排版有一个比较规整布局。
然后就是连接数码管,其实在连接数码管时,首先要弄清楚数码管的管脚布局,再细心连电路图。
接下来就是调试电路部分,应该搞清楚调试软件使用,再把自己的电路图好好调试。
在调试中可能会出现一些小问题,导致此次实验结果出现问题,连接好的电路会不出现预计的结果。
所以,在这次实验中,我们应该按照老师的安排先设计好电路图,然后仿真结果,再连接电路图。
经过这次实验,我获得了很多的知识,可以说是获益匪浅。
从刚开始的一无所知、无从下手,到后来的实验结果完美出现,其中有很多的问题的一一解决。
使我慢慢的掌握了这次实验的主要内容以及必须掌握的实验技能,并且练就了自己的细心加耐心。
所以,这次实验给我带来了很多的知识以及乐趣,使我懂得如何解决实验中的问题,如何耐心的去做每一件事情。
总之,通过这次实验我获得很好的经验以及知识,真是获益匪浅。
西安邮电学院电子工程学院生产实习过程考核表
学生姓名
张璐
班级/学号
光信息0904/05093133
承担任务实验室(单位)
3#实验楼246
所在部门
光电子技术系
实施时间
2013年02月25日—2013年03月08日
具体内容
第一周
学习数字照度计的工作原理,设计并画出电路图,进行仿真。
第二周
按照设计好的电路图,连接电路板并进行测试。
……
指导教师(师傅)姓名
职务或职称
指导教师(师傅)
对学生的评价
学习态度
□认真□一般□不认真
学习纪律
□全勤□偶尔缺勤□经常缺勤
实践能力
□很强□一般□较差
指导教师(师傅)对学生专业知识或社会实践能力等情况的意见
指导教师(师傅)签字
年月日
西安邮电学院电子工程学院生产实习成绩鉴定表
学生姓名
张璐
班级/学号
光信息0904/05093133
进行时间
2013年02月25日—2013年03月08日
成绩鉴定
学习内容(20分)
与教学任务计划结合程度(10分)
与专业培养结合程度(6分)
其它(4分)
接受单位评价
(20分)
实践能力(10分)
学习态度(6分)
学习纪律(4分)
报告鉴定
(60分)
报告内容与实践过程紧密结合(15分)
报告内容与教学计划内容紧密结合(15分)
报告质量(主题、结构、观点、逻辑、资料、字数30分)
评阅教师姓名
职称
成绩
评语
评阅教师签字
年月日
- 配套讲稿:
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- 关 键 词:
- 光照度 设计 仿真 研究