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2、对影响警戒距离的各种参数进行仔细推敲和探讨,在给定的探测器和放大器的条件下尽量提高警戒距离。
二.实验内容、
用砷化镓发光管组成发射系统,在发射和接收系统之间有红外光束警戒线。
当警戒线被阻断时,接收系统发出报警信号。
要求系统在给定期间的条件下作用距离尽可能远。
无透镜聚焦的条件下,用mW级小功率砷化镓发光二极管做为辐射光源,使用硅光电二极管做为光接收器,在二者间产生红外警戒线,用通用运算放大器构建放大系统。
当警戒线被阻断时,用可见光LED给出报警信号。
要求系统的作用距离>
10米。
三.实验方案
3.1.发射电路设计
发射电路用NE555定时构成多谢振荡器作调制电源,电路设计如图3-1
图3-1发射电路总体电路图
如图3-1所示,图中,R1=500Ω,R2=13.23kΩ,C1=10nF。
负载电阻RL1=2kΩ代替100Ω,这样实验可以用2m的作用距离来模拟实际的10m作用距离。
可得到输出矩形波的占空比为:
(3-1)
实际测得调制频率为:
(3-2)
由示波器观察发射电路输出占空比为0.51的矩形波,但矩形波有毛刺,在电源和电路以及地与电路之间加一个电容去耦合可以得到更好地效果。
示波器显示输出矩形波电压峰峰值为4.5V。
3.2.接收电路设计
接收电路包括信号放大电路和报警电路,为使电路工作稳定可靠,加上滤波电路和去耦电路,滤除杂散光和噪声影响。
3.2.1.信号接收电路
信号接收电路如图3-2所示。
图3-2信号接收电路
接收管反接,使其工作在法相饱和区。
限流电阻选择100kΩ。
VCC由12V稳压电源提供。
3.2.2一级放大电路
一级放大电路设计放大倍数为100倍,电路设计如图3-3:
图3-3一级放大电路
图中,接收端接收到的弱信号经过一个由R3和C2高通滤波器后进入由LF353构成的放大器。
放大倍数:
(3-3)
为使电压稳定,可在放大之前加一个电压跟随器,并在LF353接电源去耦合电路分别如图3-4和图3-5所示,电源去耦合电路中的电容为电解电容。
图3-4电压跟随器
图3-5电源去耦合电路
一级放大后接示波器观察输出波形并测量,得到实际放大倍数为100倍。
但输出波形有噪声。
3.3.3带通滤波器
信号经过一级放大后,信号被外界噪声干扰,需要经过一个带通滤波器进行滤波。
设计带通滤波器如图3-6:
图3-6带通滤波器电路图
设带通滤波器放大倍数为H0=5,取C2=C4=10nF,Q值取15,理论计算得
(3-4)
(3-5)
(3-6)
实验中为使输出电压稳定并消除噪声干扰,加上电源去耦合电路(图3-5)和电压跟随电路(图3-4)。
3.3.4二级放大电路
二级放大电路设计放大倍数为300倍,与一级放大一样,在放大之前先经过一个高通滤波器,并附加电压跟随器(图3-4)和电源去耦合电路(图3-5),电路图如图3-7:
图3-7二级放大电路
二级放大电路放大倍数:
(3-7)
3.3.5检波电路
检波电路的作用是将正弦波进行平滑,电路如图3-8所示:
图3-8检波电路
这里电容选择较大值,电阻也选择尽量大的阻值,使得电容充放电都叫快,在障碍物快速经过警戒线时系统也可以做出反应。
3.3.6电压比较器
这一部分是接收电路的末端,输出信号进入电压比较器后与阈值电压进行比较,高于阈值电压时LED灯灭,低于阈值时即有障碍物,LED灯亮,发出警报。
电路如图3-9:
图3-9电压比较器
电压比较器设置阈值电压为
。
接收电路的总体电路设计如图3-10所示:
图3-10接收电路总体电路图
四.实验结果及结论
将示波器的两个端口分别接输出端和阈值电压,同时观察两路信号并比较。
图4.1为无遮挡即无障碍物时的波形。
图4-1无遮挡时输出波形与阈值电压比较
图4-2为有遮挡(即有障碍物)时的输出波形比较。
图4-2有遮挡时波形比较
有遮挡时信号电平降为0,降到阈值电平以下,LED灯亮,发出报警。
图4-3发射端LED
下面几幅图分别为一级放大电路后、带通滤波电路后、二级放大电路后的输出波形。
图4-4一级放大电路输出波形
图4-5带通滤波电路输出波形
图4-6二级放大电路输出波形
实验搭建了简单的光电报警系统,能实现在警戒线被阻断时发出报警信号的目标。
实际试验作用距离达到4.6米。
五.实验中的问题及心得
实验过程中遇到了一些问题:
1.发射电路输出信号有毛刺,可能是电路工作不稳定造成的,通过在电源与地之间加一个电容来改善。
2.带通滤波器中滑动变阻器可调节到合适的值,使得输出信号最强,在设计时应注意着一点。
3.通过示波器观察到,接收电路经放大滤波后噪声很小,所以可以继续增加放大倍数,或者降低阈值电平,增加作用距离。
4.实验品质因数Q值较高,说明滤波器设计合理。
5.当阻断警戒线的目标运动速度较快时,接收电路中的检波电路R和C应取较大的值,可以保证充放电过程都很快,得到快速的响应。
在实验过程中,也发现很多问题都是思维不够严谨,不够耐心细致导致的,在以后的科研工作中一定要秉承严谨的工作态度,才能有正确的科研结果和收获。
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