光电信息技术实验 Ⅰ

1. 光电信息技术实验Ⅰ 实验一 光电二极管、光电三极管光照特性的测试 实验二 硅光电池负载特性的测试 实验三 光电倍增管特性和参数的测试 实验四 光电控制电路设计与装调 实验五 相关器的研究及其主要参数测量 实验六 同步积分器的研究及其主要参数测量 实验七 多点信号平均器 实验八 线阵CCD驱动器与特性实验

2. 实 验 一 光电二极管、光电三极管光照特性的测试

3. －、目的要求 • 掌握光电二极管的工作原理和使用方法。 • 进一步了解光电二极管的光照特性和伏安特性，为设计光电系统前置放大器打下基础。 ∧

4. 光电二极管是结型半导体光伏探测器件。当入射光子能量大于材料禁带宽度时，半导体吸收光子能量将产生电子空穴对。产生在PN结内的电子空穴对在内建电场（光电二极管工作时加反向偏压Vb）作用下被分离，形成光生电势，产生光电流，如图1所示 图1 光电二极管工作原理图 二、工作原理 ∧

5. 光电三极管的原理性结构如图2所示。正常运用时，集电极加正电压。因此，集电结为反偏置，发射结为正偏置，集电结为光电结。当光照到集电结上时，集电结即产生光电流Ip向基区注入，同时在集电极电路产生了一个被放大的电流：光电三极管的原理性结构如图2所示。正常运用时，集电极加正电压。因此，集电结为反偏置，发射结为正偏置，集电结为光电结。当光照到集电结上时，集电结即产生光电流Ip向基区注入，同时在集电极电路产生了一个被放大的电流： β为电流放大倍数。 图2 光电三极管工作原理图 ∧

6. I E4>E3>E2>E1>E0 E4>E3>E2>E1>E0 I E4 E3 E2 E1 E0 0 U 0 U 图3（a）光电二极管伏安特性曲线 （b）光电三极管伏安特性曲线 E4 E3 E2 E1 E0 • 光电二极管和光电三极管的伏安特性曲线 ∧

7. 三、实验内容 • 测量光电二极管的光电流和照度特性曲线。 • 测量光电二极管不同照度下的伏安特性曲线。 ∧

8. μA 照度计 直流稳压电源 光电探测器 调压变压器 图4 光电二极管光照特性测试装置 四、实验仪器及装置 • 实验仪器：光电二极管、钨丝灯、调压变压器、照度表、毫安表、直流稳压电源等。 • 实验装置如图4。 ∧

9. 实 验 二 硅光电池负载特性的测试

10. 一、实验目的 • 掌握硅光电池的正确使用方法。 • 了解光电池零负载，以及不同负载时光电流与照度的关系。 ∧

11. 光 Iφ N P ID RL I A 图1 光电池工作原理图 二、工作原理 • 光电池具有半导体结型器件无源直接负载下的工作特性，工作原理如图1所示。 RL外接负载为，Ip为光电流，ID为二极管结电流。 ∧

12. I为通过负载的外电流： 其中ISC为光电流反向饱和电流。当 为温度电压当量时，负载RL上的电压V=IRL给光电池正向偏压。 • 当零负载时（RL=0），（1）式外电流为短路电流： S为光电流灵敏度，短路电流ISC和照度E成正比。 • 当开路时，（RL=∞），（1）式外电流I=0则开路电压为： 开路电压Voc与照度E几乎无关；所有照度下的开路电压Voc趋于光电池正向开启电压V=0.6伏，并小于这个电压值。 ∧

13. 最佳负载，负载在RL=0～∞之间变化按经验公式求出最佳负载：最佳负载，负载在RL=0～∞之间变化按经验公式求出最佳负载： • 当RL≤Ropt时，并忽略光电池结电流，负载电流近似等于恒定短路电流。 • 当RL>Ropt时，光电池结电流按指数增加,负载电流近似于指数形式减小。 ∧

14. 三、实验内容 • 测定电池零负载下Ip和E的关系。 • 测定光电池不同负载情况下特性数据。 ∧

15. 四、实验仪表和器材 硅光电池、照度计、钨丝灯、调压变压器、直流稳压电源、毫伏电压表、微安表、电阻和电位计等。 ∧

16. 光电池负载实验线路装置如图2所示。 R5 R6 R3 100Ω RL A C I2 I1 R4 mv G1 100Ω μA B G VE 图2 光电池负载实验装置 五、实验线路装置 ∧

17. 光电池受光照后，产生光电流I2。在A、B两点的毫伏电压会产生偏转。调节稳压电源VE后，产生补偿电流I1，I1和光电流I2方向相反。调节电位计R5（粗调）和R6（细调）使补偿电流I1与光电流I2相减，并促使毫伏电压表G1指示为零。此时，表示A点和B点电位相同。相当于光电池在A、B二点外电路为零状态下工作，根据电路平衡条件：光电池受光照后，产生光电流I2。在A、B两点的毫伏电压会产生偏转。调节稳压电源VE后，产生补偿电流I1，I1和光电流I2方向相反。调节电位计R5（粗调）和R6（细调）使补偿电流I1与光电流I2相减，并促使毫伏电压表G1指示为零。此时，表示A点和B点电位相同。相当于光电池在A、B二点外电路为零状态下工作，根据电路平衡条件： 则光电流为： ∧

18. 实 验 三 光电倍增管特性和参数的测试

19. 一、实验目的 • 了解光电倍增管的基本特性。 • 学习光电倍增管基本参数的测量方法。 • 学会正确使用光电倍增管。 ∧

20. a) 侧窗式 b) 端窗式 c) 原理示意图 图1 光电倍增管外形与结果原理示意图 二、实验原理 • 工作原理 • 光电倍增管是由半透明的光电发射阴极、倍增极和阳极所组成的，由图1所示。 ∧

21. 当入射光子照射到半透明的光电阴极K上时，将发射出光电子，被第一倍增极D1与阴极K之间的电场所聚焦并加速后与倍增极D2碰撞，一个光电子从D1撞击出3个以上的新电子，这种新电子叫做二次电子。这些二次电子又被D1～D2之间的电场所加速，打到第二个倍增极D2上。并从D2上撞击出更多的新的二次电子。如此继续下去，使电子流迅速倍增。最后被阳极A收集。收集的阳极电子流比阴极发射的电子流一般大105～104倍。这就是真空光电倍增管的电子内倍增原理。当入射光子照射到半透明的光电阴极K上时，将发射出光电子，被第一倍增极D1与阴极K之间的电场所聚焦并加速后与倍增极D2碰撞，一个光电子从D1撞击出3个以上的新电子，这种新电子叫做二次电子。这些二次电子又被D1～D2之间的电场所加速，打到第二个倍增极D2上。并从D2上撞击出更多的新的二次电子。如此继续下去，使电子流迅速倍增。最后被阳极A收集。收集的阳极电子流比阴极发射的电子流一般大105～104倍。这就是真空光电倍增管的电子内倍增原理。 ∧

22. 供电分压器和输出电路 光电倍增管的极间电压的分配一般是由图2所示的串联电阻分压器执行。 最佳的极间电压分配取决于三个因素：阳极峰值电流、允许的电压波动以及允许的非线性偏离。 K A D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 11 IA 10 IK 1 2 3 4 5 6 7 8 9 -HV 图2 光电倍增管供电电路 ∧

23. 光电倍增管的特性和参数 • 阴极光照灵敏度 阴极光照灵敏度定义为光电阴极的光电流IK除以入射光通量φ所得的商： 国际照明委员会的标准光照相应于分布温度为2859K的绝对黑体的辐射。 • 阳极光照灵敏度 阳极光照灵敏度定义为阳极输出电流IA除以入射光通量φ所得的商： ∧

24. 电流增益 电流增益定义为在一定的入射光通量和阳极电压下，阳极电流与阴极电流的比值，也可以用阳极光照灵敏度与阴极光照灵敏度的比值来确定，即： 或 • 暗电流 当光电倍增管在完全黑暗的情况下工作时，阳极电路里仍然会出现输出电流，称为暗电流。引起暗电流的因素有：热电子发射、场致发射、放射性同位素的核辐射、光反馈、离子反馈和极间漏电等。 ∧

25. 图3测试原理图 三、实验装置 • 实验装置如图3。 ∧

26. 本实验选用GB787-74型光电倍增管，其管脚和名称见下图。本实验选用GB787-74型光电倍增管，其管脚和名称见下图。 ∧

27. 实 验 四 光电控制电路设计与装调

28. 一、实验目的 • 了解光电三极管和红外发光管的性能、参数及应用。 • 学会拟定、分析光电系统。 • 掌握光电三极管接收及放大电路，红外发光管脉冲调制光源的构成与调试。 ∧

29. 二、实验原理与电路 • 实验原理 • 光电控制系统一般由发光部分、接收部分和信号处理部分组成。 • 本实验采用振荡电路产生的方波信号对红外发光管进行调制，使之输出光脉冲信号，然后由光电三极管接收，放大还原为电信号。 • 方波脉冲发生器使用555时基集成电路；光电接收电路采用光电三极管组成的放大电路，本实验采用3DU11型。 ∧

30. 4 8 7 3 6 2 1 5 1 · · VCC R1 2.2K (+5V) R3 39Ω R2 51K · · D C1 0.2μF HG413 C2 0.01μF · 图1 发光电路 • 参考实验电路 • 发光电路由震荡电路和红外发光管HG413组成，电路图如图1所示。 ∧

31. 时基集成块NE555输出震荡频率由外接电阻R1、R2及电容C1决定。时基集成块NE555输出震荡频率由外接电阻R1、R2及电容C1决定。 • 3端为输出端，R3是限流电阻，避免由于电流过大而烧坏红外发光管D，其输出信号为方波，占空比为 。 ∧

32. VCC （+5V） R2 6.2K T1 3DU11 D (BT201) T2 3DG6 R1 51K 图2 晶体管放大电路 • 接收电路由光电三极管、放大驱动电路和负载组成。由于外接负载的不同，所采用的放大电路的形式也很多。 • 如果负载电流较小，可采用晶体管作放大器，输出端直接带负载（如图2）。 ∧

33. 采用运算放大器作放大电路（如图3）该电路特点是：电路简单，调试方便，工作稳定可靠。但输出电流仍受运算放大器的最大输出电流限制。采用运算放大器作放大电路（如图3）该电路特点是：电路简单，调试方便，工作稳定可靠。但输出电流仍受运算放大器的最大输出电流限制。 ∧

34. 如果负载电流较大，或者负载需要较高的电压驱动，那么可以采用继电器进行弱电→强电转换（如图4）该电路经继电器后输出电流可较大。但其调试复杂，且电路的可靠性也由于采用的元器件增多而有所下降。如果负载电流较大，或者负载需要较高的电压驱动，那么可以采用继电器进行弱电→强电转换（如图4）该电路经继电器后输出电流可较大。但其调试复杂，且电路的可靠性也由于采用的元器件增多而有所下降。 ∧

35. 三、实验内容 • 组装脉冲发生器电路，并进行调试，先取C1=10μF。此时 此频率可由接收部分发光二极管直观地显示出来，便于调试。 • 组装光接收电路，将光脉冲转换为电脉冲。 • 联调 ∧

36. 实 验 五相关器的研究及其主要参数测量

37. －、目的要求 • 了解相关器的原理。 • 测量相关器的输出特性。 • 测量相关器的抑制干扰能力与抑制白噪声能力。 • 测量相敏检波特性。 ∧

38. VB C0 R0 R1 Vi V0 VA 图1 锁定放大器中通常 采用的相关器 二、基本原理 • 相关器由相敏检波器与低通滤波器组成，是锁定放大器的核心部件。锁定放大器中的相关器通常采用图1所示的形式，由一个开关式乘法器与低通滤波器组成。 ∧

39. 相乘电路不是采用模拟乘法器，而是采用开关电路。参考信号VB可以认为是以频率ωR的单位幅度方波。VA为输入信号，表示为VA＝VAsin(ωt+φ)。当ω＝ωR为信号。ω≠ωR时为噪声或干扰，VA、VB之间的相关差可以由锁定放大器参考通道的相移电路调节，求得图1中Vi和Vo为：相乘电路不是采用模拟乘法器，而是采用开关电路。参考信号VB可以认为是以频率ωR的单位幅度方波。VA为输入信号，表示为VA＝VAsin(ωt+φ)。当ω＝ωR为信号。ω≠ωR时为噪声或干扰，VA、VB之间的相关差可以由锁定放大器参考通道的相移电路调节，求得图1中Vi和Vo为： 式中： ∧

40. φ=0º当ω=ωR时,图1各点的波形如图2所示。 注：图1中低通滤波器为反相输入，因此，输出直流电压与Vi反号，图2中为了更直观起见，画的低通滤波器不倒相， Vo与Vi中的直流分量同号。 ∧

41. 对（2）式讨论有下列结论： • 时间常数， T1＝R0C0 • 当ω=ωR时， 输出直流电压与相位φ成cosφ关系。 • 奇次谐波能通过并抑制偶次谐波，传输函数和方波的频谱一样，说明相关器是以参考信号频率为参数的方波匹配滤波器。因此，能在噪声中或干扰中检测和参考信号频率相同的方波或正弦波信号。输出Vo与f/fR响应曲线如图3所示。 ∧

42. 图3 Vo ～f/fR响应曲线 曲线表明在fR的各奇次谐波的响应为基波的1/(2n+1)。 离开奇次谐波频率很快衰减，形成Q值很高的带通滤波器。 Vo f⁄fR ∧

43. 如果输入信号为一恒定和参考方波频率相同的方波信号，则相关器为相敏检波器，输出的直流电压和信号与参考信号两者的相位差成线性关系。如果输入信号为一恒定和参考方波频率相同的方波信号，则相关器为相敏检波器，输出的直流电压和信号与参考信号两者的相位差成线性关系。 如图4所示，可以作鉴相器使用。 V0 φ 图4 相关器输入为与参考信号同频的 方波时它的输出直流电压与两者 的相位差成线性关系 ∧

44. 等效噪声带宽 基波噪声带宽： 总等效噪声带宽： 式中T为低通滤波器的时间常数。 ∧

45. 面板控制 面板控制 面板控制 PSD输出 加法器 信号输入 直流放大 ×1,×10,×100 信号输入 ×1,×10,×100 低通滤波器 T=0.1s,1s,10s 乘法器 PSD 噪声输入 直流输出 加法器输出 参考输入 方波驱动电路 图5 相关器框图 三、相关器框图 • 相关器实验插件盒的相关器电原理框图如图5所示。由加法器、交流放大器、开关式乘法器（PSD）、低通滤波器、直流放大器、参考通道方波形成与驱动电路组成。 ∧

46. 图6 相关器PSD波形观察及输出电压测量框图 相关器 交流、直流噪声电压表表 多功能信号源 PSD输出 信号输入 正弦波输出 交流输入 输出 参考输入 相位计 宽带相移器 频率计 示波器 信号输入 输入 参考输入 输入 同相输出 四、实验内容与测试 • 相关器的PSD波形观察及输出电压测量 ∧

47. 按图6所示用电缆或导线连接；接通电源，预热二分钟，调节多功能信号源，使输出频率在10KHz左右。按图6所示用电缆或导线连接；接通电源，预热二分钟，调节多功能信号源，使输出频率在10KHz左右。 • 调节宽带相移器的相移量观察PSD的输出波形。测量相关器输出的直流电压与相关器输入信号对参考信号之间相位差φ之间的关系。 • 把实测结果与理论公式 对比。式中Vo为相关器输出的直流电压，KAC为交流放大倍数，KDC为直流放大倍数，VA为输入信号的幅值，φ为参考信号与输入信号之间的相位差。 ∧

48. 相关器谐波响应的测量与观察 • 把上述实验连接图略作如下改变，宽带相移器的输入信号由nf,f/n输出（即n倍频或n分频）送给 。多功能信号源功能“选择”置分频。由于相关器的参考信号为输入信号的1∕n分频，即相关器的输入信号为参考信号的n倍频。 • 先置分频数为1，由示波器观察PSD波形及测量PSD输出直流电压，调节相移器的相移，使输出直流电压最大，并观察示波器波形相同于全波整流波形，相位计测量的相位差为0ْ，记下上述数据。改变分频数n为2、3、4、5…，对于某一“n”值重复上述测量。实测结果为：奇次谐波输出的直流响应电压为基波的直流响应电压的1/n，偶次谐波的输出直流响应为0，PSD的输出波形如图7所示。 ∧

49. VA VA VA t t t VR VR VR t t t VPSD VPSD VPSD t t t VO VO VO t t t 图7 相关器谐波响应的各点波形 ∧

50. 对噪声的抑制与等效噪声带宽 • 白噪声电压与带宽有关。多功能信号源中的白噪声发生器是一宽带白噪声源。要确切测量与计数噪声电压，必须要已知噪声带宽，已知噪声带宽可以用高通，低通滤波器组成一个已知通带宽度的带通滤波器来确定。对于二阶有源滤波器信号带宽Δfs与等效噪声带宽Δfn有下列关系式决定： ∧