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现代电子技术及应用课程大作业发光物自动跟踪电路设计姓名 张欣怡 班级 光信1501 学号 2015010483 二0一七年十二月 22 日 发光物自动跟踪电路实验要求发光物，自动探测光斑位置并控制云台跟踪探测光斑位置；抗其他光源干扰；控制云台（电机）实验目的和意义1、 理解各种通用、专用集成运算放大器的工作原理、特性，能够利用这些集成芯片实现交直流信号放大、运算等各种处理；2、 能够实现电信号转换；3、 掌握调制解调技术的原理、特性和实现方法并能将之应用在实际系统中。实验原理和实现方法一、总体介绍（1）激光光源部分：555实现方波信号，调制激光光源。（2）追踪器部分：由光电探测原理可知，每个象限输出的电信号(电流)强弱与该象限探测器光敏面接收到的光能量多少是一致的。但严格来讲，分布在四角限上的光斑能量是不均匀的，通常是呈高斯分布的，要计算每个象限的光能量必须用积分的方法。但在要求不太高的情况下可近似的把光斑的分布看成是均匀的，若光束光斑的光强度是均匀分布的，则落到每个象限中的光能量与该象限中的光斑大小是成正比例的。通过四象限探测器测量出由激光束的光斑位置变化引起的电流变化，得到光斑的两个方向的偏移量，从而来确定光斑中心位置。图1，坐标计算公式利用LM324实现流压转换，AD633实现解调，741实现滤波、加（减）法器，AD538实现除法器（3）云台部分：功放是将AD538除法器的输出放大，用来驱动电机的模块。放大倍数G是由电阻R1和R2的比值决定的，即G=R2R1。设计思路如下图所示：图2，设计思路二、分模块介绍注：本实验设计为两象限追踪系统实现了水平方向上发光物追踪功能1、 光源调制a、电路分析选用555定时器产生方波，利用三极管可作为开关的特性设计电路555定时器在之前的实验中有过详细说明在此不过多介绍下面介绍一下三极管作为开关的特性如下图3（a）、（b）所示图3（a），截止态图3（b），饱和态如上图所示，截止态如同断路（关），饱和态如同通路（开），即当方波输入电压为0时，三极管开关关闭。b、电路设计（二极管代替激光光源）555方波部分：图4，方波信号发生电路激光光源部分：用信号发生器代替了555方波发生器，具体电路如下图所示图5，激光光源部分（二极管代替）2、 流压转换a、电路分析物理量的感测在一般应用中，经常使用各类传感器将位移、角度、压力、与流量等物理量转换为电流或电压信号，之后再由量测此电压电流信号间接推算出物理量变化，以达成感测、控制的目的。但有时传感器所输出的电压电流信号可能非常微小，以致信号处理时难以察觉其间的变化，故需要以放大器进行信号放大以顺利测得电流电压信号，而放大器所能达成的工作不仅是放大信号而已，尚能应用于缓冲隔离、准位转换、阻抗匹配、以及将电压转换为电流或电流转换为电压等用途。利用741运算放大器可将电流转换为电压的用途，设计流压转换电路，线路接法如下图所示，其输出电压Vo= -IR。图6，流压转换电路一共有两个输入电流，而741属于单运算放大器，里面就一个运算放大器单元，要将它们全部转换为电压需要2个741芯片，LM324属于四运放，集成程度比较高，里面包含4个基本运算放大器单元，所以选用LM324设计实验电路，其引脚连接图如下所示图7，LM324管脚连接图b、电路设计选用0.001A直流电压源模拟输入电流，反馈电阻为1K，经转换，输出电压约为-1V图8，流压转换3、 解调a、 电路分析方波信号作为载波信号，调制就是将待调制信号与载波信号相乘，得到一个具有一定强度，不容易受到其他信号影响的复合信号。然后将调制信号再乘以载波信号，会得到U0=12Umcost+14Umcos2c-t+14Umcos2c+也就是有个原函数和两个高频杂波信号。所以将两次相乘结果通过一个低通滤波器，将高频杂波过滤掉，留下的就是原信号。乘法器将两输入信号相乘，使输出信号被载波保护，让弱信号不会再传输过程中受到干扰。图9,乘法器电路设计图b、电路设计图10，解调电路4、 滤波电路a、 电路分析1、低通滤波器：它允许信号中的低频或直流分量通过，抑制高频分量或干扰和噪声。2、有源滤波器：由无源元件(一般用R和C)和有源器件(如集成运算放大器）组成。3、截止频率：若滤波器在通频带内的增益为K，则当其增益下降到(即下降了3dB)时所对应的频率被称为截止频率。对应本设计，下降到截止频率200Hz时增益下降了3dB。4、频率特性曲线：图11，低通滤波器频率特性曲线b、电路设计图12，滤波器5、加减比例运算（以四路信号为例）a、电路分析经过I/V转换后输出的四路电压信号：经过加法和减法运算得到图13，运算公式其中k0。运算后的四路电压和应为正值，并且为了除法电路运算的精确应该在25V，如果不在此范围内，需要改变前级放大电路的增益。具体电路图如图4、图5、图6所示。图14，减法电路Vx图15，减法电路Vy图16，加法电路Vallb、电路设计由于设计电路仅涉及到水平方向上的计算，只需要两信号作加减即可减法器：图17，减法器电路加法器：图18，加法器电路6、 除法电路a、电路分析根据上述运算可以得到：图19，运算公式通过改变k值，可以调节分母电压的大小。我们采用AD538除法器，进行上面的除法运算。AD538是美国ADI公司出品的实时模拟计算器件能提供精确的模拟乘、除和幂运算功能。它具有低输入/输出偏移电压和优异的线性性能，使其可在一个非常宽的输入动态范围内进行精确的运算。乘除运算误差控制在输入幅值的0.25的范围之内。通常输出偏移小于或等于100uV。由于器件具有400kHz带宽，进一步加强了实时模拟信号的处理能力。它的电源范围从士4.5到士18V，允许选择+5V、士12V和士15V标准电压作为工作时的电源电压。图7，是AD538的功能原理图。图20,AD538功能原理图由图可以看出，AD538内部主要是由对数和指数模块构成。给2脚和15脚施加输入电压时，3脚的输出表达式为:图21，运算公式k=13806x10之3JK，q=160219x10。19C，T为热力学温度。给12脚和10脚施加输入电压时，8脚的输出表达式为:图22，运算公式把3脚和12脚连接起来，8脚输出电压:图23，运算公式芯片内部带有+2V或+10V的独立的电压参考，当按照图310连接时，5脚输出为+2V的标准电压，通过调节电位器可以使4脚输ZE+2V到+102V之间变化。利用AD538的上述功能，设计的水平和垂直两个方向带有偏置调零的两象限除法器如图11所示。图24（a），垂直方向图24（b），水平方向电路设计：因模拟软件中没有AD538芯片，所以没有设计电路图，根据下图实际连接的电路图25，除法器电路7、 云台电路设计图25，云台电路8、 整体电路a、 电路分析激光报靶电路中，有一四象限探测器，其原理是，在四象限探测器上有很多光敏电阻等，当四象限探测器探测到电路时，会发出微弱的电流，经过图中的四个运算放大器组成的I-V转换电路，实现微弱电流转成可用电压值，随后电压参数经过后面三个运算放大器组成的加法电路、加减法电路，得到的值经过后面的除法器进行归一化得到最后的XY的参数。（A+B）-(C+D)和A+B+C+D的运算机理为：A、B、C、D,四个象限的值（A+B）-（C+D），AB在上CD在下，相减位Y的值即为上下的值（分正负）、（A+D）-（C+B）即为左右X的值（分正负）最后通过归一化处理，得到电压值。b、电路设计图26，整体电路三、实验过程注：红线接+15V，白线接-15V，黑线接地。1、 光源调制电路安装：图27，方波信号发生器调试电路：图27，示波器波形产生1Hz方波，该方波将用于调制激光发光图28，调制激光光源发光由方波驱动激光光源发光，但由于方波频率过大，人眼无法判定二极管闪烁仅观察到激光长亮。2、 I/U转换电路安装：芯片管脚图、使用条件和要求：图29-1，LM324管脚图 图29-2，LM324实物图图30，IU转换调试电路：实验数据：（A表示为激光照射四象限探测器A区域时经流压转换后的电流值）1234A2.1A2.5A3A2.7AB1.4A1.7A2.4A2.2A表1，流压转换实验数据3、 解调+滤波电路安装：图31，633引脚图555引脚图在之前的实验中做过说明，在此不多做介绍图32，解调滤波实物调试电路：图33，滤波后波形截止频率约为20Hz4、 加法器电路安装：芯片管脚图、使用条件和要求：用到的UA741芯片的管脚图如图19所示，其中UA741芯片的1脚和5脚为调零端，2脚为反向端，3脚为同相端，4脚接负电源，7脚接正电源，6脚为输出端，8脚悬空。实物如图20所示：图34-1，UA741芯片管脚图 图34-2，UA741实物图图35，加法器调试电路：123456输入A1V1V1V2V3V4V输入B1V2V3V4V4V4V输出A+B2V3V3V6V7V8V表2，加法器实验数据5、 减法器电路安装：芯片管脚图、使用条件和要求同加法器图36，减法器调试电路：123456输入A6V6V6V5V4V3V输入B5V4V3V6V6V6V输出A-B1V2V3V-1V-2V-3V表3，加法器实验数据6、 除法器电路安装：芯片管脚图、使用条件和要求：图37-1，AD538管脚图 图37-2，AD538实物图图38，除法器调试电路：123456输入A+B2V4V6V8V10V12V输入A-B1V2V3V4V5TV6V输出（A-B/A+B）*105V5V5V5V5V5V表4，除法器实验数据7、 云台电路安装：图39，云台1图40，云台28、 整体电路电路安装：图41，整体电路实验总结实验环境：图42，实验环境总结：通过一周的设计过程，对四象限探测器有了一定的了解，也对现代电子技术这门课程有更深的认识。在实验设计中，对所使用的multisim软件的掌握让我受益匪浅，我认识到了multisim软件在模拟电路设计中的至关重要的地位。同时，将所学知识应用于实践，使我更加加深了对本学期所学理论知识的理解。在实验设计的过程中，我掌握的知识还很有限了，需要学习的东西太多了，平时的实践也还不够。这次实验历时一周，从一开始的电路设计，到后来的资料查找、理论学习，再有就是近来的调试和测试过程，这一切都使我的理论知识和动手能力进一步得到提升。在画原理图、电路仿真和调试过程中不可避免地遇到各种问题，最终通过不断改变参数，联系书本理论知识积极地思考，相关指标达到预期的要求，很好地完成了本次设计任务。 通过本次实验，我更深入的掌握测控电路设计的原理及应用，为以后从事模拟电路的设计开发、打下了良好的基础，并在这种能力上得到了比较充分的锻炼。最后感谢老师给我们这次学习的机会，让我发现自己的不足，让我知道以后该在实践方面更多地锻炼自己，提高自己的动手能力。