光射与光接收电路设计

一、设计题目数字信号发生和数字光发射/光接收电路设计二、设计要求本设计要求对数字光信号进行发射和接收两部分的设计。要求发射电路能达到一定的信噪比，并要求发射信号有较高的消光比（大于50%）。整个电路工作在2MHz的频率左右，要求系统有较好的幅频响应。三、分析设计 工作原理：数字信号0、1，对应的电信号为高电平和低电平，可通过LED将电信号转换成光信号，将信号发出，数字信号体现在光强度的强弱变化上，完成数字光信号的发射。接收端可用PIN将光信号转换成电信号，由于转换成的电信号幅度较小，所以接收端应该做成一个放大电路，将有用的电信号提取放大，完成光信号的接收。数字信号的产生可由信号发生器产生，即可产生0、1数字信号。接受端检测信号用示波器显示。 模块分解： 1.发射电路：（其中R3代替LED） 2.接收电路：（V1为模拟PIN，R5上的信号输出，为最终观察信号） 功能设计： 发射电路通过信号源输入数字信号，信号到达LED，通过LED完成电光转换，把数字电信号转换为光信号，而光的强弱分别表示数字信号的1、0；接受电路通过PIN将发射电路产生的光信号接受，并且将其转换为数字电信号，随后经过接受电路的放大部分将有用的数字信号提取放大，并在示波器上显示出来。其中数字信号频率要求在2M左右。 元件参数： 1.信号发生器； 2.示波器； 3.直流电源； 4.面包版； 5.三极管（9018 2只）； 6.电阻若干； 7.电容若干； 8.导线若干； 9.LED； 10.PIN。四、实验调试1、光信号发射电路部分： 图1为数字光信号的发射电路。从图中可知，信号源用的是峰峰值为1V频率为2MHz的矩形波。电阻R5为三极管的b极加偏置，使三极管工作在合适的区域内。R6代替LED进行仿真实验，R3分直流入地，使得R6上的直流分量不要太高，从而达到较好的消光比。电容C2要求相当小用以滤除电路中的高频成分。这个电路仿真下来的波形如图2所示图中绿色波形为输出信号，红色波形是参考的输入信号。由图2可以看出信号幅度和频率基本没什么变化，消光比大约在50%左右。由图又可以看出经过LED的直流电流约为110mV左右，符合要求。 图1图22、 光信号接收电路部分接收部分同样用三极管搭建电路，如图3所示。由于PIN的输出信号相当弱，所以我们用一个5mV的电压源代替，信号仍然近似为2MHz的矩形波。电容C1、C4用以隔直流。C2引高频信号入地，降低电路中的噪声影响。电阻R1、R4提供偏置，这里，偏置使三极管工作在截止区，这样有利于对数字信号的放大和接收。这个电路的仿真结果如图4所示。同样，绿色波形为输出。由图可以看出输出有反相，这是因为电路是共发射集的。标尺测出数据显示在输入为5mV的时候，信号被放大了50多倍。在实际操作中，这个增益并不是恒定的。因为电路工作在截止区，使得电路在小信号输入时增益较高，大信号输入时增益较小。接受和发射电路的仿真结果都可以使电路工作在2MHz的高频率上，但这只是软件仿真的结果，实际操作中会发现，情况并没有这么理想，尽管仿真均采用的实际器件。图3图4主要出现的问题与解决方法： 1.理论仿真的结果与实际连接的电路结果有较大的差距；最终改进电路，调整元件参数来达到要求。 2.连入LED和PIN后电路信号的频率达不到2M，而只有400K左右；老师讲解使我们明白原因：接受电路参数不匹配。 3.实际搭电路过程中出现许多问题；通过耐心调试、检查，解决了这些问题。五、设计结果电路仿真过程完成后，即开始了硬件实现过程。这个过程是相当重要的，它直接检验电路设计的是否合理，并要求我们在实践过程中解决问题。按照仿真电路搭建完硬件电路后，用示波器测试，修改了部分参数得到了以下结果。1、 对于发射电路，万用表测出的电路静态工作点为：Vb=1.20V,Vc=3.76V,Ve=0.40V。动态工作参数（有效值）为：Vb=0.77V,Vc=3.06V,Ve=0.25V。2、 对于接收电路，万用表测出的电路静态工作点为：Vb=3.25V,Vc=3.34V,Ve=2.53V。动态工作参数（有效值）为：Vb=3.02V,Vc=3.53V,Ve=2.31V。 3、以上结果是各部分电路单独工作时的参数，接上光器件LED和PIN后，将将部分电路连接在一起，测试整个系统的幅频响应，和LED输出的光功率值。其中用光功率计测出LED的功率值是-17.25 dBm,即18.7 W。此时LED上的电压峰峰值为358mV，直流分量为183mV，所以流过LED的直流电流成分为18.3mA，这个值基本上处在LED的P-I特性曲线的线性区内，但是还不够理想。系统的幅频响应可用下表列出：频率输出输入0.511.525002.32.322.342.368K2.162.182.182.18400K2.10(失真）2.202.302.32表中频率单位为：Hz 电压单位为：Vpp输出的波形： （1）500HZ时的波形： （2）8K时的波形： （3）400K时的波形：现分析一下表中数据。当电路工作在8K的频段时，输出有较好的幅度响应，整个电路在500400K这个频率范围内工作都比较正常，所以这个电路的带宽约为400K，离老师要求的2M有较大差距。另外输出信号幅值随输入信号幅值的增大而增大，但是增幅不明显。6、 心得体会本次课程设计要求完成一套数字光发射，光接受电路。并且要求数字信号的频率在2M左右。所应用的知识是模电的知识。开始设计之前，我们小组参考并查阅了网上的相关技术资料以及LED和PIN的工作特性参数,而LED与PIN也是我们这学期光电子学和光纤通信里面的内容。我们认真的设计电路，并调整电路各个器件的参数，来达到要求。可是在电脑上面仿真的结果和实际电路存在着很大差距，在电脑上面仿真的近乎完美的电路，实际搭起来却得不到理想的结果，而且存在很大的差距。实际 可得到的器件并不是很理想，许多参数的器件都没有，我们只好拿其他器件近似，这也是造成实际电路不理想的一方面原因。搭建好的实际电路存在着噪声和失真，我们只能调整电路，改变里面器件的参数来达到更好的效果。好不容易搭建好了实际的电路，并且参数也基本符合要求了，可是等到老师给我们上实际的LED和PIN器件后，信号的频率又掉了下来，只能最大达到400K，这与要求有很大的差距。最终通过老师的讲解，我们才明白是接收电路换上PIN后输入阻抗不够，达不到实际的要求，以至于造成那样的结果。通过本次实习，使我对模电有了更深一步的认识，知道了它竟然能完成这么多的东西。同时，我对LED和PIN也有了一定的认识；而且，锻炼了动手能力，学会了如何调试电路。7 / 7文档可自由编辑打印