1、光电技术实验实验课内容实验课内容1、CdS光敏电阻的性能测试。2、硅光电池负载特性测试。3、光电二极管及光电三极管光照特性测试。4、光电倍增管特性和参数测试。5、光电耦合器件的应用。6、单通道红外遥控系统的制作与应用。7、热释电器件在光电技术中的应用。8、面阵CCD的工作原理和应用。实验课要求实验课要求 1）作好预习，结合已学的理论知识，明确实验目的、实验原理与方法。2）保证人身安全，爱护实验器材，严格按实验操作方法动手实验。3）细心观察，实事求是作好实验记录；进行结果分析和验证。4）按要求按时完成实验报告。实验报告要求实验报告要求 按规定格式整洁的书写，按时交给实验指导教师。实验报告的内容包
2、括：1、实验目的、原理及方法（简述）。2、实验电原理图、仪器连接方框图，测试点位置。3、实验过程（简述）、实验记录（数据、现象及发 现的问题）。4、实验数据整理、有关曲线以及实验结果分析。5、思考题的讨论。例：小实验例：小实验 1.5VD1 D2V1 V2用500型万用表DC2.5V档（表内阻50K）分别测试 V1和V2，得三结果：1.V1=0V V2=1.5V2.V1=0V V2=1.3V3.V1=0V V2=0V试分析：三个实验结果是否正确呢？如何验证呢？实验一实验一 CdSCdS光敏电阻的性能测试光敏电阻的性能测试 光敏电阻的工作原理、电路符号及常用蛇形结构 CdSCdS光敏电阻光敏电阻
3、的光照特性曲线和伏安特性曲线的光照特性曲线和伏安特性曲线 光照特性曲线 伏安特性曲线 实验暗箱的外观及控制旋钮实验暗箱的外观及控制旋钮 电压表插口电压表插口 电流表插口电流表插口 示波器测试端口示波器测试端口 电源插口电源插口上盖上盖实验暗箱的照度控制旋钮实验暗箱的照度控制旋钮 固定部分固定部分 调整部分调整部分 十位与个位读数刻度十位与个位读数刻度百位百位读数窗读数窗 读数标记点读数标记点实验暗箱的照度控制刻度对照实验暗箱的照度控制刻度对照表表 CdSCdS光敏电阻性能测试装置光敏电阻性能测试装置 注：1、盖好实验暗箱上盖以避免外界光照的影响。2、照度值按“照度调节”旋钮的读数参照对应表格决
4、定。CdSCdS光敏电阻的时间响应光敏电阻的时间响应CdSCdS光敏电阻时间响应测试时光敏电阻时间响应测试时示波器的使用注意点示波器的使用注意点 1、示波器CH1接“Lightwave”，探头应置“X10”。2、示波器CH2接“Iout”，探头置“X10”或置“X1”。3、同步置于“CH1”。4、两个输入端应该置于“DC”档。5、“MODE”选择先置于“CH1”，调节出稳定的波形；再置 于“CH2”或置“DUAL”(“CHIP”按下)来观测。6、注意“SWP.VOR”旋钮顺时针转到底（CAL位置）。实验二实验二 硅光电池负载特性测试硅光电池负载特性测试工作原理及电路符号工作原理及电路符号 伏安
5、特性曲线伏安特性曲线 硅光电池硅光电池硅光电池的负载特性硅光电池的负载特性 在某一照度下，硅光电池的输出端电压 U U 及输出电流I I 随着负载电阻而变化，因此，其输出功率 P PUI UI 与负载电阻 RL RL 的阻值有关。当 RLRL 等于最佳负载电阻 RoptRopt情况下可获得最大的输出功率。在工程计算中，常按照经验公式，即当负载电阻为最佳负载电阻值时，输出电压U（0.6 0.7）Uoff。最佳负载电阻值与入射光通量有关，它随入射光通量的增大而减少。硅光电池的负载特性测试装置硅光电池的负载特性测试装置 注：RL的电阻值由调节旋钮的位置读出。实验三实验三 光电二极管及光电三极管光电二
6、极管及光电三极管光光 照照 特特 性性 测测 试试光电二极管光电二极管工作原理及电路符号 伏安特性曲线 光电三极管光电三极管工作原理及电路符号 伏安特性曲线 光电二极管的负载特性测试装置光电二极管的负载特性测试装置 注：电流指示用200mV电压表并联取样电阻的方法，因 取样电阻值为10K，故电压表指示10mV等效为1A。光电三极管的负载特性测试装置光电三极管的负载特性测试装置 注：电流指示用200mV电压表并联取样电阻的方法，因 取样电阻值为100，故电压表指示1mV等效为10A。实验四实验四 光电倍增管特性和参数测试光电倍增管特性和参数测试 光电倍增管的工作原理及典型各极供电电路 93193
7、1A A光电倍增管（侧窗管）光电倍增管（侧窗管）倍增极系统结构：倍增极系统结构：9 9级鼠笼形级鼠笼形 主要性能数据主要性能数据：光谱响应范围光谱响应范围 300300650650nmnm 最大响应波长最大响应波长 400 400nmnm 光阴极（不透明）光阴极（不透明）锑铯光阴极锑铯光阴极 阴极最小有效尺寸阴极最小有效尺寸 8 8x24mmx24mm 阳极脉冲上升时间阳极脉冲上升时间 2.2 2.2nSnS极限工作条件极限工作条件 阳极与阴极间的电压阳极与阴极间的电压 1250 1250 VDCVDC 第第1 1倍增极与阴极间的电压倍增极与阴极间的电压 250 250 VDCVDC 平均阳极
8、电流平均阳极电流 0.1 0.1 mAmA 环境温度范围环境温度范围 -80-80+50 +50 光电倍增管光电倍增管阴极和阳极伏安特性曲线阴极和阳极伏安特性曲线 阴极伏安特性曲线 阳极伏安特性曲线 光电倍增管阴极灵敏度的测量电路光电倍增管阴极灵敏度的测量电路 注意：施加的电压不得超过注意：施加的电压不得超过250V，以免损坏光电倍增管。以免损坏光电倍增管。光电倍增管阳极灵敏度的测量电路光电倍增管阳极灵敏度的测量电路 光电倍增管实验仪面板光电倍增管实验仪面板 光电倍增管实验仪内部结构光电倍增管实验仪内部结构 实验五实验五 光电耦合器件的应用光电耦合器件的应用 一、对射式光电耦合开关的结构及电路
9、符号 光电耦合器件进行信号的传输实验电原理图光电耦合器件进行信号的传输实验电原理图 要求：在传输正弦信号时调整VR02、VR03使信号输 出最大而失真最小，分析此时分析此时“信号输出信号输出”点的点的正正 弦信号幅度和其直流电压的关系。弦信号幅度和其直流电压的关系。使用光电耦合器件模拟人员进出自动计数控制使用光电耦合器件模拟人员进出自动计数控制 模拟人员进出自动计数控制实验的要求模拟人员进出自动计数控制实验的要求 1 1、观察并分析如果小动物通过人员进出自动、观察并分析如果小动物通过人员进出自动 计数控制系统时，由于不能同时遮挡计数控制系统时，由于不能同时遮挡 K1K1、K2 K2，是否会造成
10、误计数？是否会造成误计数？2 2、观察并分析人员进出时于半途退回的情、观察并分析人员进出时于半途退回的情 况下系统是否会误计数？况下系统是否会误计数？CD4013CD4013双双D D触发器的连接图与真值表触发器的连接图与真值表 CD40193CD40193二进制可预置可逆计数器二进制可预置可逆计数器 CD40193的连接图CD40193CD40193的工作波形图的工作波形图 加计数 减计数MRPLP0P1P2P3CPUCPDQ0Q1Q2Q3TCUTCD注意：可控硅一般应用于交流的控制，在注意：可控硅一般应用于交流的控制，在 直流电路中接通后不能控制其断开。直流电路中接通后不能控制其断开。光控
11、双向可控硅光控双向可控硅使用光控双向可控硅控制灯光照明使用光控双向可控硅控制灯光照明 实验六实验六 单通道红外遥控系统的制作与应用单通道红外遥控系统的制作与应用 红外线发射单元红外线接收及信号处理单元受控制单元红外线红外线遥控系统工作原理 555555集成电路集成电路 V VR RVctVct（即即2 2VccVcc/3/3）时，时，R R1 1，VoVo0 0，D D对地短路；对地短路；VsVsVccVcc/3/3时，时，S S1 1，VoVo1 1，D D对地断路。对地断路。/MRMR为优先复位端，为优先复位端，/MRMR为为“0”“0”时，时，VoVo0 0，D D对地短对地短路；路；5
12、55555多谐振荡器电原理图多谐振荡器电原理图 振荡频率f=1.49/(2R1R2)C占空比D（R1R2）/（2R1R2）单通道红外线遥控系统发射单元电原理图单通道红外线遥控系统发射单元电原理图 元器件参数：R1、R2：RJ-4K3 R3：RJ-1K2 R4：RJ-33 VR1：3323-10K C1：2200p（涤纶）C2：103（涤纶）C3：10F（电解）U1：NE555（DIP8）Q1：2SA1015（TO92）D1：PH303（5）SW1：按键微动开关 6x6x7单通道红外线遥控系统接收单元电原理图单通道红外线遥控系统接收单元电原理图 CD4017CD4017及其工作波形图及其工作波形
13、图 直流电机正反向驱动电原理图直流电机正反向驱动电原理图 实验七实验七 热释电器件在光电技术中的应用热释电器件在光电技术中的应用 热释电红外传感器的结构及内部电气连接 热释电红外探测热释电红外探测/控制系统的组成框图控制系统的组成框图 活动人员发出的红外辐射经菲涅尔透镜聚焦至热释电探测器，输出交变的超低活动人员发出的红外辐射经菲涅尔透镜聚焦至热释电探测器，输出交变的超低频信号（一般为频信号（一般为0.10.11010HzHz）；）；由于信号非常微弱，必须经过高增益的低噪声放由于信号非常微弱，必须经过高增益的低噪声放大器进行放大，同时为了抑制其它物体辐射来的红外干扰信号，放大器设计为大器进行放大
14、，同时为了抑制其它物体辐射来的红外干扰信号，放大器设计为0.20.27 7HzHz低频带通放大器，只放大活动人员的信号。低频带通放大器，只放大活动人员的信号。为有效的对外来干扰信号及随机噪声进行分离，降低系统的误报率以提供可为有效的对外来干扰信号及随机噪声进行分离，降低系统的误报率以提供可靠性，将低通放大器输出的动态模拟信号经过电平比较处理，只有当信号超过靠性，将低通放大器输出的动态模拟信号经过电平比较处理，只有当信号超过设定的电平时，比较器才输出高电平。这个高电平就可用于触发各种控制单元设定的电平时，比较器才输出高电平。这个高电平就可用于触发各种控制单元以完成系统的各种功能。以完成系统的各种
15、功能。热释电红外传感器的前置放大与窗口比较器热释电红外传感器的前置放大与窗口比较器用热释电红外传感器控制的节能灯用热释电红外传感器控制的节能灯 555555单稳态触发器电原理图单稳态触发器电原理图 暂稳态暂稳态时间时间 T=1.1 R CT=1.1 R C用热释电红外传感器控制的报警器用热释电红外传感器控制的报警器 注：1、U1的电源端未画出，但在Protel中默认是VCC。2、U2为蜂鸣器。实验七的实验报告要求实验七的实验报告要求 1 1、记录、记录“报警器模块报警器模块”和和“节能灯模块节能灯模块”的的工作过程。工作过程。2 2、两个模块各有什么功能？分析其电路是如两个模块各有什么功能？分
16、析其电路是如何实现这些功能的？何实现这些功能的？3 3、回答实验讲义上两个思考题。、回答实验讲义上两个思考题。实验八实验八 面阵面阵CCDCCD的工作原理及应用的工作原理及应用 （一）电视基础知识（一）电视基础知识1 1、图像与像素、图像与像素2 2、扫描、扫描3 3、同步、同步4 4、彩色的三基色原理、彩色的三基色原理5 5、视频信号的波形、视频信号的波形像素与图像的传输像素与图像的传输图像与像素：图像与像素：一幅图像可以被分割成许多独立小单元，这些小单元只是一个个不同颜色及亮度的点。组成图像的最小单元称为像素组成图像的最小单元称为像素（图像被分割的像素数越多，图像质量越好）。图像的传输：图
17、像的传输：采用极多的传输通道来同时传输各像素通常是不可能的，只能把所有把所有像像素的信息按时间顺序用同一条传输通道进行传素的信息按时间顺序用同一条传输通道进行传输输。这条传输通路轮流的接通每一对相应的光电单元和发光单元。只要轮流的速度足够快，由于人眼的视觉暂留特性人眼的视觉暂留特性，看起来好像是所有的像素同时发光，显示出完整的画面。像素顺序传送示意图像素顺序传送示意图图像的传输扫描图像的传输扫描 顺序的分解像素和综合像素的过程，称为顺序的分解像素和综合像素的过程，称为扫描扫描。图像需经扫描才能输出一维时序信号（即图像需经扫描才能输出一维时序信号（即视频信号视频信号）进行传输，视频信号也需经扫描
18、才能恢复原图像。进行传输，视频信号也需经扫描才能恢复原图像。传统的扫描方式是基于电视系统中电子束摄像管传统的扫描方式是基于电视系统中电子束摄像管和显像管的电子束扫描，和显像管的电子束扫描，按从左向右、从上向下的规按从左向右、从上向下的规律进行律进行，扫完第一幅后扫第二幅，如此循环。从左向扫完第一幅后扫第二幅，如此循环。从左向右的扫描称为右的扫描称为行扫描行扫描、从上向下的扫描称为、从上向下的扫描称为场扫描场扫描。图像的传输扫描图像的传输扫描 为了充分覆盖矩形图像面，采用匀速的单向直线为了充分覆盖矩形图像面，采用匀速的单向直线扫描方式。扫描只在单个方向扫描扫描方式。扫描只在单个方向扫描（正程）时
19、才传（正程）时才传送图像信息送图像信息，朝相反方向扫描，朝相反方向扫描（逆程）只传送同步（逆程）只传送同步信息信息，也称，也称“回扫回扫”或或“消隐消隐”。由于由于人眼的视觉暂留特性，人眼的视觉暂留特性，当扫描速度足够快，当扫描速度足够快，使换幅频率既高于活动景物运动连续感所需的频率，使换幅频率既高于活动景物运动连续感所需的频率，又高于临界闪烁频率，则接收到的是既有连续感又又高于临界闪烁频率，则接收到的是既有连续感又无闪烁感的活动景象。无闪烁感的活动景象。摄像管的工作原理示意图摄像管的工作原理示意图显像管的工作原理示意图显像管的工作原理示意图图像扫描的同步图像扫描的同步 要求收发两端的扫描规律
20、必须严格一致，称为同步同步：1）两端的扫描速度必须相同，称作同频。扫描速度必须相同，称作同频。2）两端每行、每每行、每场场的扫描起始时刻相同，称同相的扫描起始时刻相同，称同相。图像信号扫描的不同步现象示意（a）原图像 （b）行不同频 （c）行、场均不同相 电视制式电视制式 行、场扫描的速度、周期等都有严格的规定，同时为确保行、场扫描的同步，还必须设定行与场的同步控制脉冲。这些规定被称为电视制式电视制式。我国的电视制式为PALPALD D，规定扫描行频15625Hz（行周期64S、行逆程时间12S）、场频50Hz（场周期20mS、场逆程时间1.6mS、每场扫描312.5行），一帧图像由奇、偶两场
21、组成，实现隔行扫描模式。帧频（每秒图像改变数）为25Hz、每帧扫描625行。还有对图像、伴音、彩色编码等的规定，如伴音采用调频方式、伴音副载频6.5MHz、彩色编码采用逐行倒相方式、彩色副载频4.433MHz等。隔行扫描的图像隔行扫描的图像 第一场第一场 第二场第二场 彩色基本知识彩色基本知识 彩色与光彩色与光 光有单色光与复合光。光有单色光与复合光。太阳光随波长由长到短所呈现的颜色依此为：红、橙、黄、绿、青、太阳光随波长由长到短所呈现的颜色依此为：红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。蓝、紫。决不能以颜色来判断光谱的分布。一定的光谱分布表现为一定的颜决不能以颜色来判断光谱的分布。一定的光谱分布表现为一
22、定的颜色，但同一颜色则可由不同光谱分布而获得。色，但同一颜色则可由不同光谱分布而获得。彩色三基色原理彩色三基色原理 自然界中绝大多数彩色可用三种不同颜色的单色光按一定比例混合得到，这三种颜色就称为三基色。彩电中三基色为红(R)、绿(G)、篮(B)三幅基色图像组成彩条三幅基色图像组成彩条彩色图像的摄取彩色图像的摄取 彩色图像的重现彩色图像的重现 图像与其相应的视频行波形图像与其相应的视频行波形1 1点子图像点子图像 格子图像格子图像图像与其相应的视频行波形图像与其相应的视频行波形2 2棋盘图像棋盘图像 彩条图像彩条图像（二）二）CCDCCD（电荷耦合器件）电荷耦合器件）图像传感器图像传感器 CC
23、DCCD图像传感器的基本结构是图像传感器的基本结构是脉冲控制下的脉冲控制下的MOSMOS电容器阵列电容器阵列，具有电荷耦合、存储、转移功能。具有电荷耦合、存储、转移功能。CCD CCD 单元的单元的控制栅极处于高电平时，其下面形成深势阱，控制栅极处于高电平时，其下面形成深势阱，MOSMOS电容可以存储电荷；而当控制栅极处于低电平时，其下电容可以存储电荷；而当控制栅极处于低电平时，其下 面的势阱不能存储电荷，原存储的电荷即要转移出去。面的势阱不能存储电荷，原存储的电荷即要转移出去。在各控制栅极加上驱动脉冲，即可以实现各单元间信号电在各控制栅极加上驱动脉冲，即可以实现各单元间信号电 荷的转移。荷的
24、转移。CCD相邻单元2、3在驱动脉冲2、3作用下的电荷转移过程隔列转移型面阵隔列转移型面阵CCD CCD 隔列转移型面阵隔列转移型面阵CCDCCD的自扫描的自扫描 隔列转移型面阵隔列转移型面阵CCDCCD按电视制式的时序工作（自扫描）；按电视制式的时序工作（自扫描）；在场正程期间像敏单元进行光积分，此时转移栅的低电在场正程期间像敏单元进行光积分，此时转移栅的低电位将像敏单元与垂直移位寄存器隔开；位将像敏单元与垂直移位寄存器隔开；进入场逆程时，转移栅的正脉冲将像敏单元的信号电荷进入场逆程时，转移栅的正脉冲将像敏单元的信号电荷同时平行的转移到垂直移位寄存器；同时平行的转移到垂直移位寄存器；在下一个
25、场正程期间，垂直移位寄存器在垂直驱动脉冲在下一个场正程期间，垂直移位寄存器在垂直驱动脉冲V1V1V4V4的驱动下一行行地将信号电荷向水平移位寄存的驱动下一行行地将信号电荷向水平移位寄存器转移；器转移；同时，其水平移位寄存器由水平驱动脉冲同时，其水平移位寄存器由水平驱动脉冲H1H1、H2H2驱驱动，在行正程期间快速地将信号送到输出放大器输出。动，在行正程期间快速地将信号送到输出放大器输出。隔列转移型面阵CCD各驱动脉冲的波形 A段A 段波形展开图：A A 段波形展开图段波形展开图Y:0.5V/div SWP:10uS/div(X10 MAG)0.2uS/div(X10 MAG)垂直移位寄存器结构
26、示意图垂直移位寄存器结构示意图垂直移位寄存器在垂直驱动脉冲垂直移位寄存器在垂直驱动脉冲V1V1V4V4的驱的驱动下一行行地将信号电荷向水平移位寄存器转移动下一行行地将信号电荷向水平移位寄存器转移单片彩色单片彩色CCDCCD摄像机原理图摄像机原理图 单片彩色单片彩色CCDCCD 单片彩色单片彩色CCDCCD感光单元的结构为三层：感光单元的结构为三层：第一层是第一层是“微型镜头微型镜头”，为扩展，为扩展CCDCCD的采光率，必须扩大的采光率，必须扩大各像素的受光面积。在感光层前加上各像素的受光面积。在感光层前加上“微型镜头微型镜头”，感光面，感光面积就由微型镜片的表面积来决定。积就由微型镜片的表面
27、积来决定。第二层是第二层是“分色滤色片分色滤色片”，CCDCCD感光层并不能分辨颜色，感光层并不能分辨颜色，因此各单元对什么颜色感光完全由滤色片决定。因此各单元对什么颜色感光完全由滤色片决定。第三层是第三层是“感光层感光层”，将穿过滤色层的光转换成电子信号，将穿过滤色层的光转换成电子信号并传送到图像处理电路。并传送到图像处理电路。单片彩色单片彩色CCDCCD的滤色片的滤色片 单片彩色CCD的一种滤色片 棋盘格式滤色片应用电视应用电视 实际的应用电视都是一个系统，由三个基本部分构成 摄像机或成像装置 图像的传输与控制设备 图像的处理与显示设备 应用电视的分类应用电视的分类 应用电视分为四大类：1.通用型应用电视2.特种成像方式应用电视3.特殊环境下使用的应用电视4.具有特种功能的应用电视
