光电计数器设计与制作

1、目录TOC o 1-4 h u HYPERLINK l _Toc22528 摘要 PAGEREF _Toc22528 3 HYPERLINK l _Toc27034 第一章 光电转换 Part PAGEREF _Toc27034 6 HYPERLINK l _Toc25933 1.1 光源的基本特性和选择 PAGEREF _Toc25933 6 HYPERLINK l _Toc27483 1.1.1 热辐射光源 PAGEREF _Toc27483 6 HYPERLINK l _Toc3501 1.1.2 气体放电光源 PAGEREF _Toc3501 6 HYPERLINK l _Toc270

2、00 1.1.3 固态光源 PAGEREF _Toc27000 7 HYPERLINK l _Toc11588 1.1.4 激光 PAGEREF _Toc11588 7 HYPERLINK l _Toc15880 1.2光电探测器8 PAGEREF _Toc15880 HYPERLINK l _Toc12866 1.2.1 光伏探测器原理 PAGEREF _Toc12866 9 HYPERLINK l _Toc16395 1.2.2 光伏探测器特点 PAGEREF _Toc16395 10 HYPERLINK l _Toc32111 1.2.3 快速硅PIN光电二极管 PAGEREF _Toc

3、32111 11 HYPERLINK l _Toc4453 1.3 光电信号输出 PAGEREF _Toc4453 12 HYPERLINK l _Toc7855 第 2 章 计数电路 PAGEREF _Toc7855 13 HYPERLINK l _Toc833 2.1 十进制计数电路设计 PAGEREF _Toc833 13 HYPERLINK l _Toc14054 2.2 显示解码电路设计 PAGEREF _Toc14054 15 HYPERLINK l _Toc9176 2.3 数字显示 PAGEREF _Toc9176 16 HYPERLINK l _Toc398 第三章 光电计数

4、器电路的安装与改进 PAGEREF _Toc398 17 HYPERLINK l _Toc1592 3.1 设备准备 PAGEREF _Toc1592 17 HYPERLINK l _Toc15494 3.1.1 设备列表表 PAGEREF _Toc15494 17 HYPERLINK l _Toc2909 3.1.2 使用的其他仪器： PAGEREF _Toc2909 18 HYPERLINK l _Toc27496 3.2 电路连接 PAGEREF _Toc27496 18 HYPERLINK l _Toc31330 3.2.1 光电部分 PAGEREF _Toc31330 18 HYPE

5、RLINK l _Toc21009 3.2.2 计数第 PAGEREF _Toc21009 18节 HYPERLINK l _Toc18270 3.2.3 显示解码部分 PAGEREF _Toc18270 19 HYPERLINK l _Toc5081 3.2.4 显示部分 PAGEREF _Toc5081 19 HYPERLINK l _Toc1264 3.3 电路阶跃测试 PAGEREF _Toc1264 20 HYPERLINK l _Toc23304 3.3.1 光电二极管测试 PAGEREF _Toc23304 20 HYPERLINK l _Toc5593 3.3.2 555定时器

6、测试 PAGEREF _Toc5593 20 HYPERLINK l _Toc17031 3.3.3 计数电路的测试 PAGEREF _Toc17031 20 HYPERLINK l _Toc10187 3.3.4 显示电路测试 PAGEREF _Toc10187 20 HYPERLINK l _Toc28166 3.4 整体电路调试 PAGEREF _Toc28166 21 HYPERLINK l _Toc20844 3.5 光电转换电路改进 PAGEREF _Toc20844 21 HYPERLINK l _Toc31845 3.5.1 阻抗匹配改进 PAGEREF _Toc31845 2

7、1 HYPERLINK l _Toc22985 3.5.2 光电计数器适用性的提高 PAGEREF _Toc22985 22 HYPERLINK l _Toc10483 参考文献 PAGEREF _Toc10483 24 HYPERLINK l _Toc22269 到 PAGEREF _Toc22269 25概括数字计数器以其使用方便、计数准确、显示直观等特点，被广泛应用于各行业生产线上的物体计数。本文采用光电二极管接收激光光源发出的光信号，通过数字计数和显示电路设计光电计数器。当有物体通过光电二极管和激光器之间时，光束被阻挡，光电二极管的电压发生变化。信号经放大处理后，由计数电路和LED数码

8、管显示计数值。光电计数器可将机械或手动计数方式转换为电子自动计数，具有很强的工业实用性。关键词：光电二极管、激光器、计数器、LED数码管介绍随着自动化技术的飞速发展，工业生产趋向于越来越自动化。在生产线上，自动化计数设备已经普及。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。对推动工业生产现代化有很大的促进作用。随着生产自动化、设备数字化、机电一体化的不断发展，行业对光电计数器的需求量逐渐增加。因此，光电计数器的设计具有重要的现实意义。光电子技术是一门以光电子学为基础的课程，将光学技术、现代微电子技术、精密机械和计算机技术紧密结合，成为利用光获取光学信息或提取其他信息的重要

9、手段。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。以此为支撑的光电产业是当今世界竞相发展的支柱产业，是竞争激烈、发展最快的信息技术产业。主力。随着光电技术的飞速发展，半导体激光器、千万像素的CCD和CMOS固态图像传感器、PIN和APD光电二极管、液晶显示器在工业和民用领域随处可见。热成像技术也已广泛应用于军事和工业领域。场地。光电技术不断渗透到国民经济的方方面面，成为信息社会的支撑技术之一。光电计数器主要分为光电检测转换部分和电子显示部分。光电传感器是将光信号转换为电信号的器件，其工作的理论基础是光电效应。光电效应大致可分为三种：第一种是外部光电效应，在光的照射下使

10、电子从材料表面逸出；第二类是光电效应，在光的照射下改变材料的电阻率；第三种是光伏效应，物质在光的照射下产生电动势。实现转换的器件主要有光电二极管、光电晶体管、光电倍增管、光电雪崩管等。光电计数器的工作原理是从光源发出集中的平行有效光。在流水线上，每出现一个物体，光就会被挡一次。受光器无法接收到光源信息，电路的光电流会降低。发生变化，信号处理后计数器计数一次，即通过一个设备。光电计数器常用于统计成品数量和参展人数。随着计数技术的不断发展和完善，出现了多种辅助计数功能。该多功能计数器具有响应度高、功耗低、交直流两种电源均可工作、无机械碰撞、无磨损、成本低等特点。还根据实际工作环境增加了很多个性化功

11、能，比如羊毛生产线上的断线报警功能。通用计数器不仅可以测量频率和周期，还可以测量多周期平均值、时间间隔、频率比和累积。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。在电子计数器行业需求增长放缓的市场环境下，光电计数器需要大力开发新产品以满足客户的不同需求，提高产品的性价比，以获得更好的市场效益。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。在成分分析、结构研究、光电检测、照明设计等方面，某些类型的光源是密不可分的。因此，为了满足各种高科技工作的实际需要，人们生产出了各种具有不同光学特性和结构特点的光源。在光电技术系统中，光源通常起着关键作用

12、。因此，了解光源的基本特性参数，然后根据实际工作需要选择合适的光源，是我们成功设计光电系统和解决光电检测问题的关键之一。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、光源色温、光源颜色等。在选择光源时，会考虑以下基本要求： 1、对光源光谱特性的要求； 2、对光源发光强度的要求； 3、对光源稳定性的要求； 4、对光源其他方面的要求。这种设计不需要使用特殊的光源，所以选择是基于几种常见光源的基本特性：1.1.1 热辐射光源热辐射光源是根据物体的热辐射现象制造的。热辐射光源具有三个特点： 1、通过普朗克公式可以准确估算其发光特性，即可以准确掌握和控制其发光或辐射特性； 2

13、.它们发出的光通量形成一个连续的光谱，光谱的圆周很宽，因此适应使用。但在常温下，紫外线和可见光的含量非常少，限制了这类光源的使用范围； 3、采用适当的稳压或恒流电源，可使该类光源的光输出高度稳定。花费。1.1.2 气体放电光源采用这种气体放电原理制成的光源成为气体放电光源。蜜蜂在电场的作用下激发气泡壳的气体或金属气体中的电子和离子。电子和离子从电场中获得能量，分别向阴极和阳极移动。当与气体原子或分子碰撞时，会激发出新的电子和离子，从而引起原子的激发，被激发的原子回到较低的能级时会发出辐射，这就是气体放电的原理。与白炽灯相比，具有发光效率高、结构紧凑、寿命长、对光色适应性强等特点，因此具有很强的

14、竞争力，被广泛应用于光电技术和照明工程。1.1.3 固态光源固体在电场作用下直接将电能转化为光能的发光现象称为电致发光，又称电致发光。电子仪器的固化和小型化，对新型成像技术和照明技术的需求，以及半导体材料、集成技术和光电技术的发展，极大地加速了电致发光光源的研究和应用，不仅使人们获得了完全固化的光源，为全固化显示开辟了道路。目前，常见的EL有粉末、薄膜和结三种形式。具有电致发光能力的固体材料很多，但达到实际应用水平的主要是II-VI和III-V族化合物半导体。 II-VI族化合物不仅是发光效率高的光致发光和阴极发光材料，也是目前实际应用中唯一的粉末和薄膜电致发光材料。 III-V族发光材料广泛

15、用于发光二极管。1.1.4 激光激光器一般由工作物质、谐振腔和泵浦源组成。当高能离子从高能态跃迁到低能态并产生辐射时，它在穿过受激原子时会产生同相同频的辐射。当这些辐射波沿两个平面形成的谐振腔来回传播时，沿轴来回反射的次数最多，会激发出更多的辐射，从而放大辐射能量。这样，受激和放大的辐射可以通过部分投影的平面镜输出到腔外，从而产生激光。 1图1显示了激光器的工作原理。泵浦源泵浦源激光激光部分反射镜全反射部分反射镜全反射镜图 1. 激光的工作原理目前，已有数百种激光器研制成功。输出波长范围从近紫外到远红外，辐射功率范围从几毫瓦到几万瓦。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

16、激光器和半导体激光器等。气体激光器有多种激发方式和最宽的发射波长。固态激光器使用的工作物质是一种具有特殊能力的优质光学玻璃或光学晶体，其中掺杂有具有发射激光能力的金属离子。染料激光器使用燃料作为其工作物质。半导体激光器的工作物质是半导体材料。本实验要求光源能发出足够强度的集中可见光，因此采用半导体激光器作为光源。半导体激光器是一类以半导体材料为工作物质的激光器。由于材料结构的不同，产生激光的具体过程比较特殊。常用的材料有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟（InP）、硫化锌（ZnS）等。激发方式有电注入、电子束激发和光泵浦三种。半导体激光器件可分为同质结、单异质结和双异质结。同质结激光

17、器和单异质结激光器在室温下多为脉冲器件，而双异质结激光器在室温下可以连续工作。半导体激光器的工作原理是激发法，利用半导体物质（即电子）在能带之间跃迁发光，利用半导体晶体的解理面形成两个平行的镜面作为镜面来形成谐振腔，使光发生振荡、反馈和辐射光。产生光的辐射被放大，并输出激光。半导体激光器的优点是体积小、重量轻、工作可靠、功耗低、效率高。图 2. 半导体激光器的结构与普通光源相比，激光具有光束集中、亮度高等优点，因此本设计采用激光代替普通光源。1.2 光电探测器光电探测器是将辐射能转化为电信号的装置，是光电系统的核心部件。它在光电系统中的作用是发现信号、测量信号并提取一些必要的信息以供后续应用。

18、光电探测器根据探测机理的物理效应可分为两类：一类是利用各种光子效应的光子探测器，一类是利用温度变化效应的热探测器。由于光源使用的是可见光半导体激光器，因此检测器使用光子检测器。光子探测器可分为四种：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空间，从而产生光电子发射。利用光电子发射效应的探测器称为光电子发射探测器，包括真空光电池、充气光电池和光电倍增管。光电导是应用最广泛的光电效应。被光子激发的载流子留在材料部分，所以光电导是一种光电效应。利用光电导效应的检测器是光电导检测器。1.2.1 光伏探测器原理光伏效应是另一种广泛使用的光电效应，它是半导体受光照射而产生

19、电动势的现象。尽管外在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光伏效应。同时使用了一个pn结来达到这个效果。当入射光子在pn结处产生电子-空穴对时，光生载流子受到势垒区电场的影响，电子漂移到n区，空穴漂移到p区。如果p区和n区在外电路短路，就会产生反向短路信号电流。如果外电路开路，光生电子和空穴将分别在n区和p区积累，并在两端产生电动势，如图3所示，称为光伏效应。图 3. pn 结上的光激发无光时，若对PN结施加适当的反向电压，反向电压会加强电场，加宽PN结的空间电荷区，增加势垒；载流子被增强的电场拉开，光生电子被拉到N区，光生空穴被拉到P区，从而形成以少数载流子漂移运动为主的

20、光电流。图4是Altium Designer 07 Winter软件绘制的光电二极管工作电路图，对光电二极管施加15V的反向偏置电压。经过仿真得到结果：无光照时，负载上的输出电压为低电平，有光照时，负载输出电压为高电平。图 4. 光电二极管工作电路图与普通二极管相比，光电二极管的受光面更大，PN结面积更大，PN结深度更浅；表面有抗反射SiO2保护层，外加负偏压。其实并不是不能施加正向电压，而是正极接后和普通二极管一样，只是单向导电，不表现出光电效应。1.2.2 光伏探测器特点光电二极管的基本特性是照明特性、伏安特性、温度特性和频率特性。(1) 照明特性照度特性主要反映光电流与照度的关系。图5是

21、光电流和照度的特性图。从图5可以看出，两者的关系是：线性好；光电流小；灵敏度低。图 5. 15V 反向偏压下的照度特性曲线(2) 伏安特性光电二极管的伏安特性可以参考下图，反向偏压与光电流呈线性关系。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温度特性描述了作为温度函数的光电流和暗电流的特性。随着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在所有半导体光电器件中名列前茅。这主要是由于光电二极管的结电容小（小于20F）；光生载流子在薄层中的扩散时间和在PN结中的漂移时间很短，因此响应频率可以很高。1.2.3 快速硅PIN光电二极管本实验使用的光电二极

22、管为 GT106 快速硅 PIN 光电二极管。光电二极管的主要特点是响应度高，响应速度特别快；噪音低，性能稳定可靠。PIN结光电二极管在p型和n型半导体之间增加了一个本征区，它的表面做得很薄，使入射辐射穿透到本征区被吸收，产生电子-空穴对。本征区的电场将电子-空穴对分开，并迅速穿过本征区，分别进入n区和p区。该器件的频率响应和效率优于相同材料制成的pn结光电二极管。图 7. PIN 光电二极管结构GT106型快速硅PIN光电二极管采用硅PIN外管复合结构。为了保证极快的响应速度，采用背面刻蚀的方法使I层尽可能的薄。这样，当载流子高速通过漂移区时，它们被外电路中的电极收集，产生光电流。外管用于将

23、慢速光生载流子短路，从而达到快速响应的目的。GT106快速硅PIN光电二极管的光谱响应曲线如图8所示。图 8. PIN 光电二极管的光谱响应曲线1.3光电信号输出实现光信号对电路的控制，即光电二极管持续点亮，有物体通过时遮光，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来产生矩形脉冲波。经测试，GT106光电二极管的光电流在微安级。因此，在偏置电路中加一个1M欧姆的负载电阻，可以在无光时在负载电阻上输出低电平，在有光时在负载电阻上输出低电平。高水平。但负载上的输出与计数器所需的时钟信号相反，所以将负载的输出接555定时器，然后控制计数器。555定时器是一种多用途数模混合

24、集成电路，可以很容易地构成施密特触发器、多谐振荡器或单稳态触发器。下面是555的引脚图和功能表。图 9. 555定时器的管脚图及功能表I1和I2输入端连在一起作为信号输入端，可以得到施密特触发器。施密特触发器的输出电压 0从高电平变为低电平，与从低电平变为高电平对应的 I也不同，从而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滞后的。传输特性图如下：图 10. 施密特触发器的电压传输特性根据以上分析，设计了一种光电转换电路。使用仿真软件绘制电路图。第 2 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。 TTL 器件 74160 可用于实现十进制计数。

25、实现两位数计数，低位计数会自动进行到10。总计数达到99后，会跳转，从0开始计数。用两个160组成一个计数电路。 74160的1号管脚悬空，2号管脚为时钟输入信号，3、4、5、6号管脚为预置数字端，可悬空可接零， 7号脚ENP和10号脚ENT只有接高电平后电路才能工作在计数状态。引脚 11、12、13 和 14 是输出信号端，引脚 15 是进位输出端。当计数器产生进位时，它会自动输出一个高电平。 74161的功能表如表1所示：表 1. 四位同步十进制计数器 74160 功能表RDLD外星人EP操作模式大号XXXRESET（清除）清除H大号XXLOAD (Pn Qn) 组数HHHH计数（增量）H

26、H大号XNO CHANGE（保持）保持（不变）HHX大号NO CHANGE（保持）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所示：图 11. 计数电路图最初的设计方案是将低位 160 进位输出连接到高位时钟输入。仿真时发现当计数达到9时，进位输出会输出一个信号，导致高位提前计数。修改电路，在低位输出信号为0000时输出一个进位脉冲。具体实现方法是在Q 0 Q 1 Q 2 Q 3端加一个NOT门，然后经过四输入AND门，然后将其作为高位计数器的时钟信号。修改后对电路进行仿真，在计数器的四个输出端增加一个示波器。波形输出如图12所示。波形输出检测正常，为二

27、进制计数。图 12. 计数器输出波形仿真结果2.2 显示解码电路设计计数电路的计数结果需要通过译码器连接到显示电路。解码器的逻辑功能是将每个输入的二进制代码翻译成相应的输出高、低电平信号或其他代码。常用的解码器电路有二进制解码器、二进制十进制解码器和显示解码器。由于需要使用七段共阴极显示数显解码管，因此计划使用显示解码器7448。7448的附加控制台的功能和用法如下：灯管测试输入LT：LT=0，驱动的数码管7段可以同时点亮，检查修改后的数码管各段是否能正常发光。通常，LT 应设置为高电平。过零输入RBI：设置过零输入信号RBI的目的是关闭不希望显示的零。灭灯输入/灭零输出 BI/RBO：双功能

28、输入/输出端子。当作为输入端使用时，就变成了关灯输入控制端。当控制信号为0时，可以转动被驱动的数码管。每个段同时熄灭。调零输入端和调零输出端配合使用，可以实现大多数数显系统的调零控制。7448的显示功能表如表2所示：表 2：用7448驱动数码管，用protues软件画出电路图如图13所示：图 13. 显示解码电路2.3 数字显示计数器数据经过解码器后可在数码管上显示。为了直观地表示数值，本实验采用七段字符显示器，或七段数码管。这个字符显示是由七个发光线段拼接而成的。其中，比较常见的七段字符显示器是半导体数码管和液晶显示器。半导体数码管的外形图如图14所示。这种数码管的每一条线段都是一个发光二极

29、管（Light Emitting Diode，简称LED），所以也叫LED数码管或LED七-段显示。图 14 七段数码管外形图发光二极管所用的材料不同于普通的硅二极管和锗二极管，包括砷化镓、磷化镓和砷化镓磷，而且半导体中的杂质浓度很高。当施加正向电压时，大量空穴和电子在扩散过程中复合，部分电子从导带跃迁到价带，将多余的能量以光的形式释放出来，可以产生可见光光。数码管有共阴极和共阳极两种。一起制成的阴极属于共阴极型，一起制成的阳极称为共阳极型。为了增加使用的灵活性，相同规格的数码管一般有共阴极和共阳极两种供用户选择。具有管脚分布的数码管等效电路图如下：图 15. 数码管等效电路图及引脚半导体数码

30、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），发光亮度也高，这很容易识别。使用仿真软件仿真后，数码管显示的数值如图16所示，其中红色引脚代表高电平，蓝色引脚代表低电平。图 16. 数码管模拟显示结果第三章光电计数器电路的安装与改进3.1 设备准备3.1.1 设备列表表表3设备名称零件号评论光电二极管GT106型快速硅PIN光电二极管感应波长 4001100nm电源直流电源15V1电容10uF1滑动变阻器200k_ _1反抗1M_ _1柜台SN74LS161AN2显示解码器SN74LS247N2逻辑与门SN74HC08N1逻辑非门HD74HC04

31、P1七段LED数码管SM21052555定时器CB55513.1.2 使用的其他仪器：数字电路实验箱1个，万用表1个，半导体激光笔1个，电线数条。3.2 电路连接3.2.1 光电部分设备的连接是按照预先设计好的电路进行的。首先连接光电转换电路。向光电二极管施加 15V 的反向偏置电压。由于PIN管有3个管脚，位于中间的是1号管脚，接正电压。与1号脚平行，右侧为2号脚，1、2为管子，2号脚通过负载电阻与电源相连。 3脚为外管，通过负载电阻接地。连接光电二极管时，注意复合管外管的极性，管负载接信号输出。电压的极性不能接错，最大反向偏压不能大于或等于击穿电压。负载使用 1M 电阻。负载电阻的输出接5

32、55定时器的2号脚，2号脚和6号脚相连； 1号管脚接地； 4号脚为频闪工作口，接高电平；引脚悬空； 7号脚悬空； 8号脚接高电平。3.2.2 计数部分原电路设计的计数部分是用74LS160十进制计数器实现的，但实验室没有74LS160，所以改用SN74LS161AN。 74LS161 是一个十六进制计数器。计数方法与74LS160相同，但基数不同。数到99后跳转，需要改变电路，用两片74LS161实现100系统计数。具体方法是：一块74LS161作为低位，另一块作为高位。使用归零方法更改基数。当低位计数器的输出状态为 1010 时，它被复位并重新开始计数。输出 Q3Q1 通过与非门连接到置零端

33、 RD。然后将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。当低位输出达到9时，输出一个时钟信号，高位计数器启动，开始计数，实现进位功能。高位计数器通过与非门将输出信号Q3Q0与置零端RD相连，保证计数到99时计数器跳变，重新从1开始计数。3.2.3 显示解码部分实验使用SN74LS247N作为显示解码器。 SN74LS247N的管脚编号及零件结构如图17所示：图17.74LS247管脚号及零件结构图从图中可以看出，74LS247的管脚和功能与7448相同，所以74LS247的连接可以参考原设计电路图。将低位74LS247的RBO端连接到高位74LS247的RBI端，实现高

34、低位解码。3.2.4 显示部分显示器采用实验室现有的LED七段数码管SM2105。 SM2105是共阳极数码管。参照其工作电路，将数码管的第3、8脚接正极+5V电压，a、b、c、d、e、f、g的7个显示段端口通过1000-接地欧姆电阻。同时连接到74LS247对应的a、b、c、d、e、f、g端口。小数点输入端口 DP 保持打开状态。测试数码管的显示功能，将低电平分别接在a、b、c、d、e、f、g端口，看对应的显示段是否亮。经测试，数码管各段均可正常显示。3.3 电路分步测试3.3.1 光电二极管测试断开后续电路，只留下光电二极管的偏置电路，测试光电二极管能否正常工作。将万用表调到欧姆档，测量光

35、电二极管的正反向电阻。理论上是正向导通，响应电阻无穷大，处于截止状态。然后将万用表调到电压测量档位，选择量程为5V。测量负载的 1M 欧姆电阻两端的电压。用 HeNe 激光笔照亮光电二极管的光窗。无光时，二极管截止，测得电压很小；有光时电压接近5V。用逻辑笔测量。无灯时，逻辑笔显示低电平，绿灯亮；有灯时，逻辑笔显示高电平，红灯亮。证明光电二极管能正常工作，光电转换电路连接正确。3.3.2 555定时器测试555定时器具有脉冲整形功能。电路设计要求555定时器在输入为低电平时输出高电平，在输入为高电平时输出脉冲波形的低电平。因此，将定时器输入口的2号脚接高电平，输出端的3号脚接逻辑笔。此时逻辑笔

36、的绿灯亮，表示输出为低电平。再讲2脚接地或接-5V电压，逻辑笔红灯亮，表示输出与AND变为高电平。由此，555定时器可以正常工作。3.3.3 计数电路测试计数电路独立于光电转换解码显示电路进行测试。将计数器低电平集成块74LS161的时钟输入端，即2号脚接实验盒自带的脉冲信号，调整输入频率为1KHz。计数器的输出端共有8个引脚，按从高到低的顺序分别连接到实验箱的8个逻辑电平显示灯。当输入为高电平时，显示屏灯会发光。打开实验箱电源，自动输入脉冲。可以看到显示灯从00000001开始计数，显示00001001后，高电平开始计数，下一状态为00010000。计数值为10011001后，下一值跳转，再

37、次开始计数。表示计数电路能正常工作，基极接线正确。3.3.4 显示电路测试计数电路之前已经测试过，所以可以用计数电路测试显示电路。连接计数电路和显示电路，然后将时钟脉冲连接到低位计数器的时钟输入端，观察数显管的数值。显示管的数字从1开始数到99，然后跳到1再数。数码管低位左下角的时钟处于关闭状态。经检查，由于e口与74LS247的连接线松动，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，一直到99后跳转，再从1开始显示。没有乱码和熄灯现象，显示部分工作正常。3.4 整体电路调试将电路的各个部分连接起来，将连续的激光照射到光电二极管的光窗上。打开实验盒的电源，理论上这个时候应该是没

38、有显示的。关闭光源开关，显示应变为01，但实际上数码管不正常显示。电路工作不正常，需要检查。断开实验箱电源，检查各接口线是否有松动现象。确认线材连接牢固后，排除接触不良的可能，测量电路参数。计数部分是数字电路，前面的测试没有问题。因此只需要测量光电部分。使用万用表测量负载两端的电压。光电部分不接计数部分和显示部分时，电压仍为正常的高低电平值。但是，当光电部分作为输出连接到后续电路时，负载上的电压立即发生变化。给光电二极管加光后，负载电压只有轻微的变化，高低电平之间没有明显的分界线。因此，对于555定时器来说，这个微小的电压变化不足以让555定时器交替输出高低电平，计数器也无法接收到脉冲信号，所

39、以不会产生计数值。我们来分析一下造成这种现象的原因。光电转换部分单独工作时工作正常，但接上计数显示电路时不能正常输出。考虑到本实验使用阻性负载上的电压作为信号源输出，当接上后级电路时，相当于接了一个电路模块与1M欧电阻并联，后级电路模块的总电阻为远小于1M欧姆，这与负载电阻不同。并联后阻值会降低，相当于光电二极管的负载只有10K左右，光电二极管的光电流极小，在微安量级。负载降低后，光生电压只有毫伏量级，不足以控制555定时器。因此，考虑到光电转换部分的高电阻，需要对电路进行修改。3.5 光电转换电路的改进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定时器的三个5K欧电阻不接电路，不会影响二极管的负载。因此，负载输出可以接RD直接控制555定时器的启动和关闭。 555高电平开启，低电平关闭。理论要求有光时不计数，发生光遮挡时计数一次，即输出低电平时产生时钟信号，高电平停止计数。 555 定时器需要在启动时只产生一个时钟输入。根据以上要求，555定时器可外接低频