毕业论文光电计数器设计及制作

1、目录摘要 2第一章 光电转换部分 5 矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。§1.1 光源的基本特性和选择 5 聞創沟燴鐺險爱氇谴净。1.1.1 热辐射光源 5 残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。1.1.2 气体放电光源 5 酽锕极額閉镇桧猪訣锥。1.1.3 固体发光光源 5 彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。1.1.4 激光器 6 謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。§1.2 光电探测器 7 厦礴恳蹒骈時盡继價骚。1.2.1 光伏探测器的原理 7 茕桢广鳓鯡选块网羈泪。1.2.2 光伏探测器的特性 9 鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。1.2.3 快速硅 PIN光电二极管 10 籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。§1.3 光电信号输出 1

2、1 預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。第二章 计数电路 12 渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。§2.1 十进制计数电路设计 12 铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。§2.2 显示译码电路设计 14 擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。§2.3 数码显示 15 贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。第三章 光电计数器电路的安装及改进 16 坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。§3.1 器件准备 16 蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。3.1.1 器件清单表 17 買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。3.1.2 其它使用的仪器： 17 綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。§3.2 电路连接 17 驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。3.2.1光电部分 17 猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑

3、。3.2.2计数部分 18 锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。3.2.3显示译码部分 18 構氽頑黉碩饨荠龈话骛。3.2.4显示部分 18 輒峄陽檉簖疖網儂號泶。§3.3 电路分步测试 19 尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。3.3.1光电二极管的测试 19 识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。3.3.2 555 定时器的测试 19 凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。3.3.3计数电路的测试 19 恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。3.3.4显示电路的测试 20 鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。§3.4 电路总体调试 20 硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。§3.5 光电转换电路改进 20 阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。3.5.1阻抗匹配改进 20 氬嚕

4、躑竄贸恳彈瀘颔澩。3.5.2光电计数器适用性改进 21 釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。参考文献 23 怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。致谢 错误! 未定义书签。 谚辞調担鈧谄动禪泻類。摘要数字式计数器因为其有使用方便，计数精确，显示直观等优点，被广泛应用于各行业生产线上的物件计数。本 论文利用光电二极管接收激光光源发射的光信号，并通过数字计数与显示电路设计了一种光电计数器。当物件从光 电二极管与激光器之间通过时会对光束进行遮挡，光电二极管的电压发生变化。该信号经过放大和处理后，经计数 电路和 LED 数码管显示计数的数值。该光电计数器可以将机械或者人工的计数方式转变为电子自动计数，工业实用 性很强。 嘰觐詿缧铴

5、嗫偽純铪锩。关键词 : 光电二极管，激光器，计数器， LED 数码管AbstractAs the digital counter has advantages in convenient using, accurate counting, direct display , it is widely used in industry production line for counting the objects.This paper designed a photoelectric counter,the photoelectric receivers optical signal sent

6、from the laser,and then through the digital count and display circuit.when objects cross the middle of the laser ,the beam will be kept out, photoelectric receiver's voltage would have a change.The voltage signal will be amplified and processed, then input it to the count circuit, and then the n

7、umber can be displayed on the LED digital display tube.The photoelectric counter can change mechanical counting or artificial counting into electronic automatic counting, it has strong industrial usability.熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。Key Words: photodiode,laser,counter,LED digital tube 鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。引言随着自动化技术的高速发展， 工业上

8、的生产越来越趋向于自动化。 在流水生产线中， 自动化的计数装置已经普及。采用自动化计数不仅可以提高生产计数的效率，还可以提 高计数的准确性。对于工业生产的现代化具有很大的推进作用。生产自动化、设备数字 化、机电一体化不断发展，工业中对光电计数器的需求量也逐渐在增大，因此，设计光 电计数器是十分具有现实意义的。 纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。光电技术是一门以光电子学为基础，将光学技术、现代微电子技术、精密机械及计 算机技术紧密结合，成为获取光信息或借助光提取其他信息的重要手段的课程。光电技 术在现代科技、经济、军事、文化、医学等领域发挥着极其重要的作用，以此为支撑的 光电子产业是当今世界争相发展的支柱产

9、业，是竞争激烈、发展最快的信息技术产业的 主力军。光电技术迅速发展，半导体激光器、上千万像素的 CCD 与 CMOS 固体图像传 感器、 PIN 与 APD 光电二级管及液晶显示等在工业与民用领域随处可见，热成像技术 也已广泛应用于军事和工业领域。光电技术不断渗透到国民经济的各个方面，成为信息 社会的支撑技术之一。 颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。光电计数器主要分为光电检测转换部分和电子显示部分。 光电传感器是一种将光信 号转化为电信号的装置，它实现工作的理论基础是光电效应。光电效应大致可以分成三 个类型：第一类就是外光电效应，在光的照射下使电子从物质的表面逸出；第二类是内 光电效应， 在光的照射下，

10、物质的电阻率改变； 第三类是光生伏特效应， 在光的照射下， 物质内产生电动势。实现转换的器件主要有光电二极管、光电三极管、光电倍增管、光 电雪崩管等等。光电计数器的工作原理是，从光源发出一束集中的平行有效光，在流水 线上，每出现一个物体，就会对光进行一次遮挡，光接收器无法接受到光源信息，电路 的光电流就会产生改变，经过信号处理后计数器计数一次，即通过了一个器件。光电计 数器常用来统计成品数量和参加展会人数。 濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。计数技术在不断发展和完善，出现了多种辅助计数功能。多功能计数器的响应度较 高，功耗低，在交流和直流电源下都可以工作，无机械碰撞，无磨损，造价低等等。还 有很多依据实际

11、的工作环境添加了个性化功能，如毛线生产线上的断线报警功能。通用 计数器不仅可测频率、周期还可以测多周期平均、时间间隔、频率比和累计等。由于光 电计数器设计理念的不断创新，光电计数器的功能也在不断发展。在电子计数器行业的 需求增长有所减缓的市场环境下，光电计数器需要大力进行新产品的开发，以满足客户 的不同需求，提高产品的性价比，以期获得更好的市场效益。 銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。第一章 光电转换部分§1.1 光源的基本特性和选择 光源在科学研究和工程技术中有着广泛的应用。 在成份分析、 结构研究、光电检测、 照明设计等方面，都离不开一定型式的光源。因此，为适应各种高科技工作的实际需要 人们

12、生产了各种不同光学性质和结构特点的光源。在光电技术系统中，光源往往起着关 键的作用。因此，了解光源的基本特性参数，然后按照实际的工作需要选取合适光源， 是我们设计光电系统和解决光电检测问题时成功的关键之一。 挤貼綬电麥结鈺贖哓类。光源的基本特性参数主要包括辐射效率和发光效率、 光谱功率分布、 空间光强分布、 光源的色温、光源的颜色。在进行光源选择的时候，主要会考虑一下几点基本要求：1、对光源发光光谱特性的要求 2、对光源发光强度的要求 3、对光源稳定性的要求 4、对 光源其它方面的要求 。本次设计不需要使用特殊光源，因此参考几种常用光源的基本 特性进行选择： 赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。1.1.1

13、热辐射光源热辐射光源是基于物体的热辐射现象制造的。热辐射光源有三个特点：1、它们的发光特性都可以用普朗克公式进行精确的估算， 即可以精确掌握和控制它们发光或辐射 性质；2、它们发出的光通量构成连续的光谱，且光谱范围很宽，因此使用的适应性强。 但在通常温度下，紫外辐射和可见辐射含量很少，这又限制了这类光源的使用范围；3、采用适当的稳压或稳流供电，可使者类光源的光输出获得很高的稳定度。 塤礙籟馐决穩賽釙冊 庫。1.1.2 气体放电光源 利用该气体放电原理制成的光源成为气体放电光源， 蜜蜂在泡壳内的气体或金属气 体在电场的作用下激励出电子和离子， 电子和离子从电场中获得能量分别向阴极和阳极 运动，它

14、们与气体原子或分子碰撞时会激励出新的电子和离子，这一过程中会引起原子 的激发，受激原子回到低能级时就会发射出辐射， 这既是气体放电原理。 与白炽灯相比， 具有发光效率高、 结构紧凑、寿命长以及光色适应性强等特点， 因而具有较强的竞争力， 在光电技术和照明工程中得到广泛的应用。 裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。1.1.3 固体发光光源 固体在电场的作用下将电能直接转换为光能的发光现象叫场致发光， 也称为电致发 光。电子仪器的固体化和小型化、新的显像技术和照明技术的需求以及半导体材料、集 成化技术和光电子技术的发展，大大加速了场致发光光源的研究和应用，不但能使人们 得到全固化的光源，而且为全固化显示开辟了途

15、径。 仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。目前常见的场致发光有三种形态，即粉末、薄膜和结型。有场致发光本领的固体材料很多，但达到实际应用水平的主要是族和族化合物半导体。 族 化合物既是发光效率很高的光致发光和阴极射线发光材料， 亦是目前用于实际的唯一的 粉末和薄膜场致发光材料。族发光材料在发光二极管方面得到广泛应用。 绽萬璉轆 娛閬蛏鬮绾瀧。1.1.4 激光器激光器一般是由工作物质、谐振腔和泵浦源组成。当高能态离子从高能态跃迁到 低能态，产生辐射后，它通过受激原子时会感应出同相位同频率的辐射。这些辐射波沿 由两平面构成的谐振腔来回传播时，沿轴线的来回反射次数最多，它会激发出更多的辐 射，从而使辐射能量放大。

16、这样，受激和经过放大的辐射就可以通过部分投射的平面镜 输出到腔外，产生激光。 1 图 1 为激光器的工作原理。 骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。泵浦源全反射 部分反射镜图 1. 激光器的工作原理目前已研制成功的激光器达数百种， 输出波长范围从近紫外直到远红外， 辐射功率 从几毫瓦至上万瓦，一般按工作物质分类，激光器可分为气体激光器、固体激光器、染 料激光器和半导体激光器等 。 瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。气体激光器的激励方式多样， 发射波长也最广。 固体激光器所使用的工作物质是具 有特殊能力的高质量的光学玻璃或光学晶体，里面掺入具有发射激光能力的金属离子。 染料激光器以燃料为工作物质。半导体激光器的工作物质是

17、半导体材料。 鎦诗涇艳损楼紲鯗餳 類。本次实验需要光源可以发出一束集中的且强度足够的可见光，因此采用半导体激 光器作为光源。半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的一类激光器，由于物质结构上的差 异，产生激光的具体过程比较特殊。常用材料有砷化镓( GaAs)、硫化镉( CdS)、磷化 铟(InP)、硫化锌 (ZnS)等。激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。半导体激光器件，可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。同质结激光器和单异质结激光 器室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。 栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。半导体激光器工作原理是激励方式，利用半导体物质（即利用电子）在能

18、带间跃迁 发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振 荡、反馈、产生光的辐射放大，输出激光。半导体激光器优点是体积小，重量轻，运转 可靠，耗电少，效率高等。 辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。图 2. 半导体激光器的结构激光器与普通光源相比，具有光束集中，亮度高等优点，所以本次设计采用激光器 而不选择普通光源。§1.2 光电探测器光电探测器是一种将辐射能转换成电讯号的器件，是光电系统的核心组成部分，在 光电系统中个的作用是发现信号、测量信号，并为随后的应用提取某些必要的信息。 峴 扬斕滾澗辐滠兴渙藺。光电探测器按照探测机理的物理效应可以分为两大类： 一类是利用各

19、种光子效应的 光子探测器，另一类是利用温度变化效应的热探测器。 由于光源采用的是半导体激光器， 是可见光，因此探测器选用光子探测器。光子探测器可以分为四种： 詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。光电子发射效应也称为光电效应。 入射辐射的作用是使电子从光电阴极表面发射到 周围的空间中，即产生光电子发射。利用光电子发射效应的探测器称为光电子发射探测 器，其中有真空光电管、充气光电管和光电倍增管。 则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。光电导是应用最广泛的光电子效应。光子所激发的载流子仍保留在材料内部，所以 光电导是一种内光电效应。利用光电导效应的探测器是光电导探测器。 胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。1.2.1 光伏探测器的原理光伏效应

20、是另一种应用广泛的内光电效应，是半导体受光照射产生电动势的现象。 虽然非本征光伏效应也是可能的，但几乎所有实用的光伏探测器都使用本征的光伏效 应。同时用 p-n 结来实现这种效应的。 鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。当入射光子在 p-n结产生电子 -空穴对时，光生载流子受势垒区电场作用，电子漂移到 n区，空穴漂移到 p区。如果在外电路中把 p区和 n区短接，就产生反向的短路信号电流。假若外电路开路，则光生的电子和空穴分别在 n区和 p区积累，两端便 产生电动势，如图 3 所示，这称为光生伏特效应。 稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。图 3. p-n 结上的光电激发无光照时，若给 PN 结加上一个适当的反向电压，则反

21、向电压加强了内建电场，使 PN 结空间电荷区拉宽，势垒增大；被光照时，在结区产生的光生载流子被加强了的内 建电场拉开，光生电子被拉向 N 区，光生空穴被拉向 P区，于是形成了以少数载流子漂 移运动为主的光电流。 陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。图 4 为使用 Altium Designer 07 Winter 软件绘制的光电二极管的工作电路图，在光 电二极管上加上反向偏置电压 15V。经过仿真后得出结果：无光照时负载上输出电压为 低电平，有光照时，负载输出电压为高电平。 沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。图 4. 光电二极管工作电路图与普通二极管相比 ,光电二极管受光面大， PN 结面积更大， PN 结深度较浅；

22、表面有防反射的 SiO2 保护层，外加负向的偏置电压。实际上，不是不能加正向电压， 只是正接以后就与普通二极管一样，只有单向导电性，而表现不出它的光电效应。 钡嵐縣 緱虜荣产涛團蔺。1.2.2 光伏探测器的特性 光电二极管的基本特性有光照特性、伏安特性、温度特性和频率特性。 （1）光照特性光照特性主要体现了光电流与光照度的关系，图 5 是光电流与光照度的特性图，由 图 5 可知两者之间的关系是：线性好 ; 光电流较小 ; 灵敏度低。 懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。Ee=20000lx5000lx2000lx1000lx-4 -8 -12V(V)图 6. 光电二极管的伏安特性曲线3）温度特性光电二极管的

23、温度特性描述光电流和暗电流随温度变化的性质， 硅光电二极管的温 度升高，信噪比降低。（4）频率特性光电二极管的频率特性是所有半导体光电器件中最好的一种。 这主要是由于光电二 极管的结电容较小（小于 20F） ；光生载流子在薄层中的扩散时间及 PN 结中的漂移时 间较短，故其响应频率可以达到很高。 謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。1.2.3 快速硅 PIN 光电二极管本次实验采用的光电二极管是 GT106 型快速硅 PIN 光电二极管。该光电二极管的 主要特点是响应度高，响应速度特别快；噪声低、性能稳定可靠。 呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。PIN 结光电二极管在 p型和 n 型半导体之间加入一个本征区域，其表面做

24、得很薄， 使得入射辐射透入本征区内被吸收，产生电子一空穴对。本征区内的电场使电子一空穴 对分开，并快速通过本征区分别进入 n 区和 p 区。器件的频率响应和效率都比用同样材 料制作的 p-n 结光电二极管好。 莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。光电二极管的光谱响应曲线如图图 7.PIN 光电二极管结构应的目的。 麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶GT106 型快速硅 PINGT106 型快速硅 PIN 光电二极管采用硅 PIN 内外管复合结构。为保证极快的响应 速度，采用背面蚀洞法，使 I 层尽量薄。这样，载流子高速通过漂移区的时候，被电极 收集在外电路里就产生了光电流。用外管来短路慢速的光生载流子，从而实现了快速响图

25、 8.PIN 光电二极管的光谱响应曲线§1.3 光电信号输出要实现光信号对电路的控制，即对光电二极管进行持续照射，当有物件通过时对光 进行遮挡，输出一次低电平，计数器计数一次。光电转换电路需要控制计数器的时钟输 入端，产生矩形脉冲波。经过测试， GT106 型光电二极管的光电流为微安量级，因此在 偏置电路中加上 1M 欧的负载电阻，可以实现无光照时负载电阻上输出低电平，有光照 时负载电阻上输出高电平。但负载上的输出情况与计数器所需要的时钟信号是反向的， 因此将负载输出连接到 555 定时器上，再对计数器进行控制。 納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。555 定时器是一种多用途的数字 -模拟混合集成

26、电路， 利用它能极方便地构成施密特 触发器、多谐振荡器或者单稳态触发器。下面是 555 的引脚图以及功能表。 風撵鲔貓铁频钙 蓟纠庙。图 9.555 定时器的引脚图及功能表将 555定时器的 1和2 两个输入端连在一起作为信号输入端， 即可以得到施密 特触发器。施密特触发器的输出电压 0 由高电平变为低电平和由低电平变为高电平所 对应的 也不相同，这样就形成了施密特触发器的触发特性。施密特触发器的电压传 输特性是回滞的。传输特性图如下： 灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹。RD'LD'ETEPLXXXHLXXHHHHHHLXHHXL表 1. 四位同步十进制计数器 74160 的功能表根据以上

27、分析，设计出光电转换电路。使用仿真软件绘制出电路图第二章 计数电路§2.1 十进制计数电路设计光电计数器需要对光电信号脉冲进行计数， 利用 TTL 器件 74160 可以实现十进制的 计数，要实现两位的计数，低位计数到 10 自动进位，整体计数达到 99以后实现跳转， 从 0 开始计数。使用两个 160 接成计数电路。 74160 的 1 号引脚悬空， 2 号引脚为时钟 输入信号， 3、4、5、6 号引脚为预置数端，可以悬空可以接零， 7 号引脚 ENP 和 10 号 引脚 ENT 连接后接高电平，电路才可以工作在计数状态， 11、 12、13、14 号引脚为输 出信号端， 15 号

28、引脚为进位输出端，计数器产生进位时自动输出一次高电平。 74161的 功能表如表 1： 铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。工作模式RESET (Clear) 清零LOAD (Pn Qn) 置数COUNT (Increment) 计数 NO CHANGE (Hold) 保持(不变) NO CHANGE (Hold) 保持(不变)使用 protues软件绘制电路图，然后进行仿真，计数部分的电路图如图11：图 11. 计数电路图最初设计方案是将低位 160 的进位输出端接到高位的时钟输入上， 在仿真时候发现 当计数到 9 时进位输出端就会输出信号，导致出现高位提前计数的情况。对电路进行修 改，当低位的输出信号为

29、 0000时输出进位脉冲。 具体实现方法为在 Q0Q1Q2Q3端加上非门， 之后经过四输入与门，再作为高位计数器的时钟信号。改动后对电路进行仿真，在计数 器的四个输出端加入示波器，波形输出如图 12，波形输出检测正常，为二进制的计数。 攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸。图 12. 计数器输出波形仿真结果§2.2 显示译码电路设计计数电路计数的结果需要通过译码器连接显示电路。 译码器的逻辑功能是将每个输 入的二进制代码译成对应的输出高、低电平信号或另一个代码。常用的译码器电路有二 进制译码器、二 -十进制译码器和显示译码器三类。由于要使用七段共阴显示数码显示 译码管，所以计划采用显示译码器 744

30、8。 趕輾雏纨颗锊讨跃满賺。7448 的附加控制端的功能和用法如下：灯测试输入 LT' ： LT'=0 ，便可使被驱动数码管的七段同时点亮， 以检查改数码管 各段能否正常发光。平时应置 LT' 为高电平。 夹覡闾辁駁档驀迁锬減。灭零输入 RBI' ： 设置灭零输入信号 RBI' 的目的是为了能把不希望显示的零熄灭。灭灯输入 /灭零输出 BI'/RBO' ：这是一个双功能的输入 / 输出端，作为输入端使用时， 成灭灯输入控制端，控制信号为 0 时，可以将被驱动数码管的各段同时熄灭。 视絀镘鸸鲚鐘 脑钧欖粝。将灭零输入端和灭零输出端配合使用，

31、即可实现多为数码显示系统的灭零控制。7448 的显示功能表如表 2：表 2：用 7448 驱动数码管，使用 protues 软件画出电路图如图 13：图 13. 显示译码电路§2.3 数码显示计数器数据经过译码器后可以通过数码管显示。为了直观地表示出数值，实验采 用了七段字符显示器，或者称之为七段数码管。这种字符显示器由七段可以发光的线段 拼接而成。其中比较常见的七段字符显示器有半导体数码管和液晶显示器两种。 偽澀锟攢 鴛擋緬铹鈞錠。半导体数码管的外形图如图 14 所示。这种数码管的每个线段都是一个发光二极 管( Light Emitting Diode, 简称 LED),因而也将它

32、称为 LED数码管或者 LED七段显示器 緦徑铫膾龋轿级镗挢廟。图 14. 七段数码管外形图发光二极管使用的材料与普通的硅二极管和锗二极管不同，有砷化镓、磷化镓、磷 砷化镓等几种，而且半导体中杂质浓度十分高。当外加正向电压的时候，大量的空穴和 电子在扩散的过程中又复合，其中会有一部分电子从导带跃迁到价带，把多余的能量以 光的形式释放出来，便可以产生出可见光。 騅憑钶銘侥张礫阵轸蔼。数码管分为共阴极和共阳极两种类型。阴极做在一起的属于共阴极类型，阳极做在 一起的称为共阳极类型。为了增加使用时候的灵活性，同一规格的数码管一般都会有共 阴极和共阳极两种类型供使用者进行选择。数码管的等效电路图以及引脚

33、分布如下： 疠 骐錾农剎貯狱颢幗騮。图 15. 数码管等效电路图及引脚 半导体数码管步进具有工作电压低，寿命长，体积小，性能稳定等优点，而且响应 时间很短（一般不超过 0.1us） ，发光的亮度也很高，便于识别。 镞锊过润启婭澗骆讕瀘。 使用仿真软件进行仿真后数码管显示数值如图 16 所示，其中引脚红色代表高电平， 蓝色代表低电平，图示为显示 2 的时候数码管字符以及电平情况。 榿贰轲誊壟该槛鲻垲赛。图 16. 数码管仿真显示结果第三章 光电计数器电路的安装及改进§3.1 器件准备3.1.1 器件清单表表3器件名称器件型号备注光电二极管GT106型快速硅 PIN 光电二 极管感应波长

34、 4001100nm电源直流电源 15V1个电容10uF1个滑动变阻器200k1个电阻1M1个计数器SN74LS161AN2个显示译码器SN74LS247N2个逻辑与门SN74HC08N1个逻辑非门HD74HC04P1个七段 LED 数码管SM21052个555 定时器CB5551个3.1.2 其它使用的仪器：数字电路实验箱一台、万用表一个、半导体激光笔一支、导线若干根。§3.2 电路连接3.2.1 光电部分根据事先设计的电路进行器件的连接。首先连接光电转换电路。对光电二极管加上反向偏置电压 15V。由于 PIN管有三个管脚，其中位于正中的是 1 号管脚，接正电压。 与 1 号管脚平

35、行并在其右侧的是 2 号管脚， 1、 2 为内管， 2 号管脚通过负载电阻与电源 相连。3 号管脚为外管，通过负载电阻接地。在连接光电二极管时要注意复合管的内外 管极性，内管负载接信号输出。电压的极性不能接错，最大反向偏压不得大于或者等于 击穿电压。负载使用 1M 的电阻。 邁茑赚陉宾呗擷鹪讼凑。负载电阻的输出连接到 555定时器的 2号引脚，将 2号引脚和 6号引脚连接； 1 号 引脚接地； 4号引脚为选通工作端口，接高电平； 5号引脚悬空； 7号引脚悬空； 8号引 脚接高电平。 嵝硖贪塒廩袞悯倉華糲。3.2.2 计数部分最初的电路设计计数部分用 74LS160 十进制计数器实现，但是在实验

36、室没有 74LS160，因此用 SN74LS161AN代替。 74LS161为十六进制计数器。计数方法与 74LS160 一样，只是进制不同。要计数到 99 后进行跳转，需要更改电路，用两片 74LS161实现 100 进制的计数。具体方法为：一片 74LS161作为低位，另一片作为高位。用置零法改 变进制。低位计数器的输出状态为 1010 时复位，重新开始计数。将输出 Q3Q1通过与非 门与置零端 RD'连接。再将 RD'通过非门连接到高位计数器的时钟输入端 CLK，作为时钟 信号输入。当低位输出到 9 之后，输出一个时钟信号，高位计数器启动，开始计数，实 现进位的功能。 高

37、位计数器将输出信号 Q3Q0通过与非门与置零端 RD'连接，保证计数到 99的时候计数器跳转，重新从 1开始计数。 该栎谖碼戆沖巋鳧薩锭。3.2.3 显示译码部分实验使用 SN74LS247N作为显示译码器， SN74LS247N的引脚编号及内部结构如图 17：图 17.74LS247 引脚编号及内部结构图由图可知， 74LS247的引脚以及功能与 7448 是一样的，因此 74LS247的连接可以参 照原设计电路图。将低位 74LS247的 RBO端接到高位 74LS247的 RBI 端上，即可实现高 低位的译码。 劇妆诨貰攖苹埘呂仑庙。3.2.4 显示部分显示器使用实验室已有的 L

38、ED七段显示数码管 SM2105。SM2105是共阳极数码管。 参照其工作电路，将数码管的 3、8号管脚接阳极 +5V电压，a、b、c、d、e、f、g 七个 显示段端口通过 1千欧电阻接地。同时与 74LS247对应的 a、b、c、d、e、f 、g 端口连 接。小数点输入端口 DP悬空。 臠龍讹驄桠业變墊罗蘄。对数码管的显示功能进行测试，将低电平分别接到 a、b、c、d、e、f 、g 端口，看 对应的显示段是否亮灯。经测试，数码管的各段均可以正常显示。 鰻順褛悦漚縫冁屜鸭骞。§3.3 电路分步测试3.3.1 光电二极管的测试将后续电路断开，只保留光电二极管的偏置回路，测试光电二极管是

39、否可以正常 工作。把万用表调到欧姆档，测量光电二极管的正向和反向电阻，理论上是正向导通， 反响电阻无限大，处于截止状态。然后把万用表调到电压测量档位，量程选为5V 。测量负载 1M 欧电阻上的电压。用氦氖激光笔照射光电二极管的光窗。无光照时二极管截 止，测量出的电压很小；有光照时，电压接近 5V。用逻辑笔进行测量，无光照时逻辑 笔显示低电平，绿灯亮；有光照时，逻辑笔显示高电平，红灯亮。证明光电二极管可以 正常工作，光电转换电路连接无误。 穑釓虚绺滟鳗絲懷紓泺。3.3.2 555 定时器的测试555 定时器具有脉冲整形的功能，电路设计要求 555 定时器在输入为低电平的时候 输出高电平，输入为高

40、电平时输出脉冲波形的低电平。因此将定时器输入端口2 号引脚连接高电平，输出端 3 号引脚接逻辑笔，此时逻辑笔绿灯亮，显示输出为低电平。然后 讲 2 号引脚接地或者接 5V 电压，逻辑笔的红灯亮，表示输出以及成为高电平。由此 可得， 555 定时器可以正常工作。 隶誆荧鉴獫纲鴣攣駘賽。3.3.3 计数电路的测试计数电路独立于光电转换和译码显示电路单独进行测试。将计数器的低位集成块 74LS161的时钟输入端，即 2 号引脚连接到实验箱自带的脉冲信号上，调节输入频率为 1KHz 。计数器的输出端一共 8 个引脚，分别按照从高到低的顺序接到实验箱的 8 个逻 辑电平显示灯上，该显示灯在输入为高电平的

41、时候发光。打开实验箱的电源，自动输入 脉冲，可以看到显示灯从 00000001 开始计数，显示 00001001 之后高位开始计数，下一 个状态为 00010000，计数值为 10011001 之后，下一个数值跳转，重新开始计数。表示 计数电路可以正常工作，且进制连接正确。 浹繢腻叢着駕骠構砀湊。3.3.4 显示电路的测试之前已经测试了计数电路，因此可以利用计数电路对显示电路进行测试。连接计数 电路和显示电路， 然后在低位计数器时钟输入端接上时钟脉冲， 观察数码显示管的数值。 显示管的示数从 1开始计数到 99，之后跳转到 1 重新计数。数码管的低位左下角那段时 钟处于熄灭状态。 经检查由于

42、e 端口与 74LS247 的连接导线松动， 导致一直没有信号输 入。更换导线后，重新测试。数码管从 1开始显示直至 99后跳转，重新从 1 开始。没 有出现乱码和灭灯情况，显示部分正常工作。 鈀燭罚櫝箋礱颼畢韫粝。§3.4 电路总体调试将电路各个部分连接起来，对光电二极管的光窗进行持续的激光照射。打开实验箱 的电源，理论上此时应该无显示。关闭光源开关，显示应变为 01，而实际上数码管并没 有正常显示。电路没有正常工作，需要进行检查。 惬執缉蘿绅颀阳灣熗鍵。断开实验箱的电源，对每个接口导线进行检查，看有无松动情况。确认导线连接稳 固之后排除接触不良的可能，因此对电路参数进行测量。计数

43、部分是数字电路，之前的 测试没有问题。因此只需要对光电部分进行测量。用万用表测量负载上的电压。光电部 分没有与计数部分和显示部分连接时，电压依旧为正常的高低电平值。但是当光电部分 作为输出与后续电路连接之后，负载上的电压立即改变，给光电二极管加上光照后，负 载电压只有很微小的变化，没有明显高低电平的分界线。因此，对于 555 定时器来说， 这种微小的电压改变不足以让 555 定时器交替输出高低电平， 计数器接收不到脉冲信号， 所以不会产生计数值。 贞廈给鏌綞牵鎮獵鎦龐。下面来分析产生这种现象的原因。光电转换部分单独工作时正常，连接上计数显示 电路就不能正常输出。考虑到本次实验将电阻负载上电压作

44、为信号源输出，当连接上后 续电路时，相当于在 1M 欧电阻上并联上一个电路模块，而后面的电路模块总电阻远小 于 1M 欧，与负载电阻并联后会减小电阻值，相当于光电二极管的负载只有10K 左右，而光电二极管的光电流极小，为微安量级，负载减小之后，光生电压就只有毫伏量级， 不足以控制 555 定时器。因此，考虑到光电转换部分的高阻情况， 需要对电路进行修改。 嚌鲭级厨胀鑲铟礦毁蕲。§3.5 光电转换电路改进3.5.1 阻抗匹配改进为了不改变光电二极管的负载，只能避开后续电路的电阻。 555 定时器的输出端和 选通端 RD'之间只有几个逻辑门。 555定时器的 3个5K 欧电阻不连

45、入电路， 就不会影响 二极管的负载。因此可以让负载输出与 RD'相连，直接控制 555 定时器的启动与关闭。 高电平时 555 启动，低电平关闭。而理论要求有光照的时候不计数，出现一次光遮挡计 数一次，即输出低电平时产生时钟信号，高电平停止计数。需要使 555 定时器可以在启 动时只产生一次时钟输入。 薊镔竖牍熒浹醬籬铃騫。根据以上需求，可以将 555 定时器连接成一个低频的多谐振荡器，启动时输出一次 高电平，这个高电平的维持时间要相对长， 至少大于一个被计数物件通过传送带的时间，否则会出现一个物件通过器件计数两三次的情况。控制多谐振荡器的振荡周期为 1s 以 上。首先将 555定时器接成一个施密特触发器，然后将 555 定时器的 2 号管脚通过一个 10uF的电容接地，输出 3 号管脚通过一个 100K 欧的电阻与 2 号管