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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1KΩ，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=12UmcosωΩt+14Umcos2ωc-Ωt+14Umcos2ωc+Ω
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k≠0。
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2．5V，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Vall
b、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=1．3806x10之3J／K，q=1．60219x10。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3．10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+10．2V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X\Y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）

1
2
3
4
A
2.1A
2.5A
3A
2.7A
B
1.4A
1.7A
2.4A
2.2A
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20Hz
4、 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：

1
2
3
4
5
6
输入A
1V
1V
1V
2V
3V
4V
输入B
1V
2V
3V
4V
4V
4V
输出A+B
2V
3V
3V
6V
7V
8V
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：

1
2
3
4
5
6
输入A
6V
6V
6V
5V
4V
3V
输入B
5V
4V
3V
6V
6V
6V
输出A-B
1V
2V
3V
-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：

1
2
3
4
5
6
输入A+B
2V
4V
6V
8V
10V
12V
输入A-B
1V
2V
3V
4V
5TV
6V
输出（A-B/A+B）*10
5V
5V
5V
5V
5V
5V
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2
8、 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。