光電仪器实验指导书.docVIP

实验一 简单光控电路的设计及光电传感器技术参数的测定 (设计性实验) [实验目的] 1.掌握常规光功率计，光电探测器等光电仪器的使用。 2.了解光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光耦的光电特性。 3.掌握简单的光电控制电路的设计。 [实验原理] 光敏电阻：是一种当光照射到材料表面上被吸收后，在其中激发载流子，使材料导电性能发生变化的内光电效应器件，受光照后其阻值会减少。 光敏二极管：是一种光生伏特器件，用高阻P型硅作为基片，然后在基片表面进行掺杂形成PN结。N区扩散得很浅为1um左右，而空间电荷区（即耗尽层）较宽，所以保证了大部分光子入射到耗层内。光子入射到耗层内被吸收而激发电子-空穴对，电子-空穴对在外加反向偏压VBB的作用下，空穴流向正极，形成了二极管的反向电流即光电流。光电流通过外加负载电阻后产生电压信号输出，在使用时一般加反向偏置，可以当光控开关管来使用。 光敏三极管：是一种光生伏特器件，用高阻P性硅作为基片，然后在基片表面进行掺杂形成PN结。N区扩散得很浅为1um左右，而空间电荷区（即耗尽层）较宽，所以保证了大部分光子入射到耗层内。光子入射到耗层内被吸收而激发电子-空穴对，电子-空穴对在外加反向偏压VCB的作用下，空穴流向正极，形成了三极管的反向电流即光电流。光电流通过外加负载电阻后产生电压信号输出，可以当光控开关管来使用。 光电耦合器：常用的三极管型光电耦合器原理图当电信号送入光电耦合器的输入端时，发光二极体通过电流而发光，光敏元件受到光照后产生电流，CE导通；当输入端无信号，发光二极体不亮，光敏三极管截止，CE不通。对于数位量，当输入为低电平“0”时，光敏三极管截止，输出为高电平“1”；当输入为高电平“1”时，光敏三极管饱和导通，输出为低电平“0”。 图1.1 三极管型光电耦合器原理图 图1.2 图1.3 3 光敏三极管光电特性 将第二步中的光敏二极管换成光敏三极管，同样测出光强与光敏三极管两端输出电压的关系曲线。 4光电耦合器光电特性 实验原理图如图1.3所示，改变输入电压，利用万用表测出输出与输入的电压关系。 5.设计光控路灯电路 分别利用光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管与普通电阻、三极管、发光二极管设计并实现一光控路灯电路。 6.设计隔离传输门电路 利用光电耦合器、普通电阻、开关设计并实现一隔离传输门电路 [思考题] 1.比较光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管用于设计光控电路时各有什么优缺点。 2.光强与光敏电阻阻值的关系是什么关系？ 实验二．使用锁相放大器测量电阻阻值 （验证性实验） [实验目的] 1.了解锁相放大器的用途。 2.了解锁相放大器的结构组成。 3.掌握锁相放大器的基本操作方法。 [实验原理] 本实验想要对一种材料的电阻值进行测量，并且在测量的过程中不想造成电能的过分浪费。如果电阻阻值大约为0.1Ω，电流要求不得高于1μA，则需要一个100nV的电压加在电阻两端。有很多的噪声可能淹没了这么小的信号，市电中带来的50HZ的噪声信号可能比它的1000倍还要大，可能电路接头带要的压降就有100nV。 故运用锁相放大器来进行测量。其测量原理如图1.1所示：使用正弦信号发生器产生一个峰值电压为1V频率为W的正弦信号作为参考信号，并通过一1MΩ的电阻使其提供1μA的电流，将此信号作为激励。 图1.1 测量原理 将两个信号接入锁相放大器。1V交流参考信号被使用告诉锁相放大器被测信号的准确频率，这个参考信号被接入其中的锁相环电路中，锁相环有两个输出：和。 测试样本信号被加在高放大比的AC差分放大器输入端。差分放大器的输出与锁相环输出量相乘后通过两个相位检测单元PSD1与PSD2。相乘使得输入信号的频率成分发生了改变，因此两个相位检测单元的输出为： 其中项被低通滤波器滤除，只剩下项，然后通过直流运放。由于低通滤波器能有总计100S的时间常数，锁相放大器能去除从参考信号中引入的大于0.0025HZ噪声信号。 因为参考信号与被测信号同相，故PSD1的输出为最大相位而PSD2的输出为0，如果相位非零，为，为，则输出量为： 输出信号的相位为： 因此，相位锁相放大器能通过幅值测量，能够测量出被测信号与参考信号之间的未知相位。 [实验仪器] 锁相放大器；示波器；信号发生器；电阻；若干导线。 [实验步骤] 连线 实验中使用函数信号发生器给阻值分别为1MΩ和被测串连电阻提供电压，然后把两电阻的分压分别作为参考信号和测量信号送入锁相放大器，其连线图为图1.1。 2.量程设置 检查连线无误后，首先打开锁相放大器电源开关。把锁相放大器量设置为最大。然后打开函数信号发生器电源开关，