光電綜合實驗平臺的製作方法
2023-05-09 07:34:06 3
專利名稱：光電綜合實驗平臺的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於實驗教學儀器，更具體的應屬於光電綜合實驗平臺。
背景技術：
綜觀我國理工科院校現有的大學實驗教學儀器，都屬於單一模式的儀器，即光學工程類、模電、數電類、傳感器類等單一功能的實驗教學儀器，這些實驗教學儀器雖然能夠進行本學科的單科教學實驗，但是，不能進行多學科綜合性的實驗教學，更無法培養學生的綜合實驗技能。
發明內容
本實用新型提供了一種光電綜合實驗平臺，通過基本光電實驗平臺的整體設計，使儀器具有光、機、電、算相結合。
本發明的光電綜合實驗平臺，包括計算機系統1，光學實驗平臺2，測量儀表平臺3，電路實驗臺4，信號源輸出埠5，光電倍增管實驗裝置6，信號產生電路板7，功能板8，示波輸入埠9組成；其特徵是示波輸入埠與功能電路板連接，功能電路板與計算機系統連接；實驗平臺上或光學實驗平臺搭建的被檢測系統通過功能電路板將需要檢測的信號送至計算機中，計算機顯示屏幕上顯示獲得被測信號的圖形。
所述的光學實驗臺由導磁材料平板構成，其上安裝能夠搭建成各種光學系統的多種光學調整架，並且在這些光學調整架的輸出端連接光電接收器，進行光電轉換，再將光電接收器的輸出接到由電路實驗臺組建的測量電路。
所述的測量儀表臺上安裝有數字電流表與數字電壓表，分別用來測量電路實驗臺搭建的電路直流參數；電路實驗臺上安裝有多種電子元器件和搭建電路用的插孔，以便搭建出各種實驗電路。
所述的實驗平臺提供多種信號輸出埠，這些信號均來源於實驗平臺內部安裝的信號產生電路板。
所述的實驗平臺前面設置有光電倍增管。使光電倍增管實驗能夠既方便又靈活地進行。
所述的示波輸入插口是四個，能夠同步、並行輸入四路電信號；它們是二個量程可變的數字電流表、二個量程可變的數字電壓表、一個量程可變的數字高壓表和一個自動改變量程的數字照度計測量儀表，直接用來組成各種測量電路。
所述的電路實驗臺上安裝有多種常用的電子元器件，利用這些器件和連接導線能夠組裝成各種實驗電路和光電檢測電路，進行各種各樣的實驗；電路實驗臺上設置有易損件安裝窗口，平臺上的所有易損電子器件都安放在此，以便於更換。
所述的一種光電綜合實驗平臺，其特徵是所述的實驗平臺前面板是可拉開式結構。
本發明的功能電路板是使實驗平臺具有示波與圖示功能的重要部件，將具有同步邏輯控制器81、示波邏輯82、參數設置83、A/D組84、存儲器組85、伏安特性控制邏輯86、數字階梯波發生器87、數字鋸齒波發生器組88、接口控制電路89等功能的電子元器件焊接在電路板上。
功能電路板測試多路同步示波功能的方法是由同步邏輯控制器產生示波邏輯，控制A/D組同步對多路被測信號進行轉換，並將轉換結果存放在存儲器組中，再經接口控制電路輸出到接口總線上，接口總線傳遞給計算機系統，將波形顯示在計算機屏幕上。
多路同步示波功能的示波邏輯信號的各種具體參數由計算機軟體通過接口總線、接口控制電路進行參數設置，實現同步信號可調。
功能電路板測試多路同步示波功能的方法是同步邏輯控制器81產生SH、SP和FC三路同步脈衝，其邏輯關係如圖6所示，再通過示波邏輯82產生示波控制信號同步控制A/D轉換電路組84，A/D1～A/Dn； CH1～CHn為連接被測電路的n條信號通道即示波輸入埠9，分別連接n組A/D轉換電路84；在示波控制信號的控制下同時對n條信號通道進行A/D轉換並將數字信息存放到各自相應的存儲器85內；示波邏輯發生器在採樣數量達到要求後，向接口控制電路89發出信號，請求接口控制電路89傳輸數據，接口控制電路89通過計算機接口總線90實現與計算機系統1間的數據傳輸；計算機軟體讀取各信號通道的數據，並分別顯示在計算機系統1的顯示器上；SH、SP、FC信號的各種具體設置由計算機軟體通過接口總線90、接口控制電路89發送到同步邏輯控制器81。
功能電路板測試電晶體、光電耦合器件與各種光電器件的伏安特性的方法其特徵是採用同步邏輯控制器、伏安特性控制器控制數字階梯波發生器產生階梯波送給板外光源；伏安特性控制器還控制數字鋸齒波發生器組產生多組鋸齒波控制多個板外被測電路或器件；板外被測電路或器件的輸出信號通過光電綜合實驗平臺的示波輸入埠9與A/D組的輸入信號相連；伏安特性控制器A/D組同步對多路被測信號進行轉換，並將轉換結果存放在存儲器組中，再經接口控制電路輸出接口總線上，傳遞給計算機系統，將波形顯示在計算機屏幕上。
功能電路板測試電晶體、光電耦合器件與各種光電器件的伏安特性的方法是將電晶體、光電耦合器件與各種光電器件的伏安特性測試功能的伏安特性控制信號的各種具體參數可由計算機軟體通過接口總線、接口控制電路進行參數設置，從而實現伏安特性控制信號可調。
功能電路板測試電晶體、光電耦合器件與各種光電器件的伏安特性的方法同步邏輯控制器81產生SH、SP和FC三路同步脈衝，通過伏安特性控制邏輯86分別送給兩組數位訊號發生器—數字階梯波發生器87和數字鋸齒波發生器組88，SH、SP和FC以及階梯波與鋸齒波的邏輯關係如圖7所示。階梯波信號驅動外部光源設備；鋸齒波信號驅動n個被測電路或元器件，階梯波信號驅動的外部光源設備將光信號傳遞給受鋸齒波信號驅動的n個被測電路或元器件。n個被測電路或元器件的輸出信號分別連接n組A/D轉換電路A/D1～A/Dn；在伏安測試信號的控制下同時對n個輸出信號進行A/D轉換並將數字信息存放到各自相應的存儲器內，伏安測試信號邏輯發生器在採樣數量達到要求後，向接口控制電路發出信號，請求接口控制電路傳輸數據；接口控制電路通過計算機接口總線實現與計算機間的數據傳輸，計算機軟體讀取各信號通道的數據，並分別顯示在顯示器上；SH、SP、FC信號的各種具體設置由計算機軟體通過接口總線、接口控制電路發送到同步邏輯控制器。
計算機系統，對同步邏輯信號的各項參數進行設置，並啟動設備開始工作，然後進入等待狀態，等待硬體申請中斷，硬體在設置參數並啟動後進行多通道同步的A/D轉換，並將轉換結果存入存儲器內，然後計數，如果計數器的值達到設置的數值則申請中斷，否則繼續A/D轉換，當硬體產生中斷請求後，軟體響應請求，並開始傳輸數據、顯示波形。數據傳輸結束後，判斷是否要停止設備，如果要停止設備，則停止硬體設備，退出多路同步示波功能，否則等待下一次硬體中斷請求。
利用光電實驗平臺不僅可以滿足學習電學、光學、光電器件、光電技術、光電檢測技術等課程的實驗教學要求，而且，對每種實驗都能進行深入的實驗設計，從而提高實驗水平。光電綜合實驗平臺提供了各種電子器件，學生可以自己動手用連接導線接成各種實驗電路並通過平臺提供的數字電壓與電流表或虛擬測量儀器測量電路參數。
圖1光電綜合實驗平臺基本結構；圖2功能電路板組成模塊；圖3多路同步示波功能系統；
圖4計算機控制流程圖；圖5多路伏安特性測試系統；圖6多路同步示波同步邏輯；圖7伏安特性測試控制信號邏輯。
圖8帶有泰曼—格林幹涉系統的光電綜合實驗平臺；圖9(a)電晶體共發射極交流放大電路實驗裝置；圖9(b)電晶體共發射極交流放大電路圖；圖10光電三極體特性參數測量裝置。
其中1-計算機系統，2-光學實驗平臺，3-測量儀表平臺，4-電子實驗操作平臺，5-信號源輸出埠，6-光電倍增管實驗裝置，7-信號產生電路板，8-功能電路板，9-示波輸入埠，10-He-Ne雷射器光源，11-小孔光闌，12-擴束鏡1，13-擴束鏡2，14-折光反光鏡，15-分光鏡，16-測量反光鏡，17-參考光反光鏡，18-成像物鏡，19-光電器件，20-光學元件調整、支持架，21-數字電壓表，22-數字電壓表的測量端子，23-數字電壓表的量程轉換開關，24-電阻接插孔，25-三極體的3個接插孔，26-數字電位器的3個接線插孔，27-數字電流表，28-示波輸入插孔。29-LED光源，30-易損件安裝窗口，31-CPLD編程口，41-電子元件接插孔，81-同步邏輯控制器、82-示波邏輯、83-參數設置、84-A/D組、85-存儲器組、86-伏安特性控制邏輯、87-數字階梯波發生器、88-數字鋸齒波發生器組、89-接口控制電路、90-接口總線，91-電阻。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施方式
對本發明做進一步的詳細說明圖1中所示的光學實驗平臺2為導磁材料的平臺，其上可以安裝多種光學調整架，以便構成各種光學系統，進行各種光學及光電系統的實驗；測量儀表平臺3處安裝有二個量程可變的數字電流表、二個量程可變的數字電壓表、一個量程可變的數字高壓表和一個自動改變量程的數字照度計等測量儀表，它們均可為實驗者提供各種實驗所需數字儀表，直接用來組成各種測量電路；電路實驗操作平臺4上安裝有多種常用的電子元器件及其接插孔41，利用這些器件和連接導線能夠組裝成各種實驗電路和光電檢測電路，進行各種各樣的實驗。電路實驗操作平臺4的右側有一個易損件安裝窗口30，平臺上的所有易損電子器件都安裝在此，非常易於更換。儀器上還裝有四個示波輸入埠9，可用來並行輸入四路信號，便於分析所測電路的電氣參數。另外，將光電倍增管實驗裝置6安裝在實驗平臺前面板上，前面板又為可拉開式結構，便於學生觀看實驗結構。
儀器內備有計算機系統，由計算機及其操作軟體構成簡單虛擬儀器，能夠完成示波、器件特性曲線等的測量與顯示，這些功能由信號產生電路板7和功能電路板8實現。使實驗平臺構成功能性很強的平臺性質的儀器設備。
另外，實驗平臺的易損件安裝窗口30上有CPLD編程口31，通過編程口31與計算機編程軟體，可以完成數字電子技術的所有邏輯電路實驗，其邏輯輸出波形既可以用計算機模擬仿真的方法在計算機顯示屏上觀察，又可以用儀器示波輸入埠採集I/O輸出端的輸出電壓，在計算機顯示屏上觀測電路I/O口真實的輸出邏輯波形。
光電實驗平臺的主要部件有1、半導體光電器件與光電倍增管等光電器件由電子市場上購買各種品牌的半導體光電器件與光電倍增管均可以用作備測器件。
2、線陣CCD圖像傳感器可用於測量光柵的線陣CCD有很多，如TCD1500C(5340像元)、TCD1702C(7500像元)、TCD2901D(10550×3像元)等，這些線陣CCD均為日本東芝公司生產，當然其它公司生產的類似線陣CCD均可以採用。
3、面陣CCD圖像傳感器可由電子市場上購買多種品牌的面陣CCD圖像傳感器。
4、各種光源可從電子市場上購買各種光源。
5、計算機系統可由電子市場上購買多種品牌的計算機系統。
6、數字電壓表、數字電流表及數字照度計可由電子市場上購買多種品牌的數字電壓表、數字電流表及數字照度計。
通過本發明的光電實驗平臺可以完成如下的實驗1.現代光學儀器實驗光電綜合實驗平臺的光學實驗平2臺為易於安裝各種光學器件的磁性平臺，其上規則地排列著安裝螺孔，便於安裝各種光學調整機構，完成多種功能的光學實驗，與一般的光學平臺無區別。而光電綜合實驗平臺區別於其它光學平臺之處在於光電綜合平臺下面為能夠進行光電檢測的綜合實驗器材。能夠進行現代光學實驗所需的實驗，是其它光學實驗臺無法獨立完成的工作。
在光學實驗平臺2上按圖6所示的光學原理圖構成泰曼-格林(Twyman-Green)幹涉系統，其中，雷射器用小功率He-Ne或(中功率)半導體雷射器為光源10，雷射光源發出的光經小孔光闌11去除雜散光後再經透鏡組擴束鏡112(凸透鏡L1)與擴束鏡213(凸透鏡L2)擴束後投射到折光路用的折光反光鏡14上，它反射出去的寬光束入射到分光鏡15上，其中一路經參考光反光鏡17反射回到分光鏡形成參考光束；另一路透過分光鏡的光經測量反光鏡16也反射回到分光鏡形成測量光束；這兩束光相遇後由於存在著「波相差」而產生對比度很強的幹涉條紋(稱為泰曼-格林幹涉條紋)。這就是泰曼-格林幹涉原理。泰曼-格林幹涉條紋經透鏡18匯聚成像到光電器件19處，光電器件便可檢測到幹涉條紋信息。利用幹涉條紋所載信息可以進行精密位移量的測量，測量原理及其計算公式請參考「工程光學」與「物理光學」的相關章節。若光電器件為線陣CCD器件，則將其輸出接入實驗平臺的計算機數據採集卡上，計算機系統將完成反光鏡位移量Δl的測量。
2.模擬電子技術實驗利用光電綜合實驗平臺電路實驗操作平臺4上提供的電子元器件可以進行多種模擬電子技術實驗，例如晶體三極體特性參數測試實驗、各種晶體三極體交、直流放大器實驗等。現以電晶體共發射極交流放大電路實驗為例說明。
在光電綜合實驗平臺電路實驗操作平臺4上，先用連接導線將圖9(a)中所示的三極體25、電流表27、電壓表21、電位器26與電阻24等連接成如圖9(b)所示的電晶體共發射極交流放大電路。連接方法如下將電位器R126的一端與+12V電源連接，另一端與電流表27相連。電流表27的另外一端與電阻R224相連，電阻R224的另一端與三極體T25的基極相連。三極體T25的集電極通過電阻R391與+12V電源相連。電壓表21一端與三極體T25的基極連接，另一端與三極體T25的發射極連接。將三極體T25集電極與CH228連接。其中電位器R126的調整範圍為10～51kΩ，電阻R224為5.1kΩ，電阻R391為100kΩ。將電路連接好後，調整電位器R126，使Ii從0.01mA開始增大，觀測電壓Ui的變化，測出晶體三極體共發射極電路的一條伏安特性曲線，即為共發射極三極體交流放大器的輸入特性曲線。分析輸入特性曲線找到輸入特性。
3.數字電子技術實驗利用光電綜合實驗平臺提供的器材完全可以進行各種數字電子技術方面的實驗，而且實驗檔次高，學生收效大。十分有利於對學生動手能力的培養，使學生儘快接觸最新的科學技術。
綜合實驗平臺提供的現場可編程邏輯器件(Altera公司的CPLD器件)的編程口31及其編程軟體(QUARTUS II)可以實現各種功能的數字邏輯電路。它的I/O埠均引出到電子操作實驗平臺4上，而且電子操作實驗平臺4提供了四路同步觀測的示波輸入埠9，可同步觀測和分析四路邏輯信號波形。
4.光電器件與光電技術實驗光電器件的種類很多，實驗裝置與實驗方法類似，現以光電三極體特性參數測試實驗為例說明光電器件特性參數的測試實驗。
光電三極體特性參數實驗裝置如圖10所示，主要包括LED光源支架、光電三極體支架20，LED光源29和光電三極體19部分構成。通過支架20將LED光源29與光電三極體19安裝在光學實驗平臺2上，將LED光源的電源線連接到電路實驗臺上提供的電源上，光電三極體的兩個電極也通過連接導線連接到電路實驗操作平臺4上，並在電路實驗臺上搭建出測量電路；再將測試電路的電源接入實驗電路，便可以進行電三極體特性參數實驗。
本發明公開和提出的光電綜合實驗平臺，本領域技術人員可通過借鑑本文內容，適當改變結構和組件等環節實現。本發明的儀器已通過較佳實施例子進行了描述，相關技術人員明顯能在不脫離本發明內容、精神和範圍內對本文所述的儀器進行改動或適當變更與組合，來實現本發明技術。特別需要指出的是，所有相類似的替換和改動對本領域技術人員來說是顯而易見的，他們都被視為包括在本發明精神、範圍和內容中。
權利要求1.一種光電綜合實驗平臺，包括計算機系統(1)，光學實驗平臺(2)，測量儀表平臺(3)，電路實驗臺(4)，信號源輸出埠(5)，光電倍增管實驗裝置(6)，信號產生電路板(7)，功能板(8)，示波輸入埠(9)組成；其特徵是示波輸入埠與功能電路板連接，功能電路板與計算機系統連接；實驗平臺上或光學實驗平臺搭建的被檢測系統通過功能電路板將需要檢測的信號送至計算機中，計算機顯示屏幕上顯示獲得被測信號的圖形。
2.如權利要求1所述的一種光電綜合實驗平臺，其特徵是所述的功能電路板是將同步邏輯控制器(81)、示波邏輯(82)、參數設置(83)、A/D組(84)、存儲器組(85)、伏安特性控制邏輯(86)、數字階梯波發生器(87)、數字鋸齒波發生器組(88)、接口控制電路(89)等功能的電子元器件焊接在電路板上。
3.如權利要求2所述的一種光電綜合實驗平臺，其特徵是所述的光學實驗臺由導磁材料平板構成，其上安裝能夠搭建成各種光學系統的多種光學調整架，並且在這些光學調整架的輸出端連接光電接收器，進行光電轉換，再將光電接收器的輸出接到由電路實驗臺組建的測量電路。
4.如權利要求2所述的一種光電綜合實驗平臺，其特徵是所述的測量儀表臺上安裝有數字電流表與數字電壓表，它們是二個量程可變的數字電流表、二個量程可變的數字電壓表、一個量程可變的數字高壓表和一個自動改變量程的數字照度計測量儀表，直接用來組成各種測量電路，分別用來測量電路實驗臺搭建的電路直流參數；電路實驗臺上安裝有多種電子元器件和搭建電路用的插孔，以便搭建出各種實驗電路。
5.如權利要求2所述的一種光電綜合實驗平臺，其特徵是所述的實驗平臺提供多種信號輸出埠，這些信號均來源於實驗平臺內部安裝的信號產生電路板。
6.如權利要求2所述的一種光電綜合實驗平臺，其特徵是所述的實驗平臺前面設置有光電倍增管實驗裝置。
7.如權利要求4所述的一種光電綜合實驗平臺，其特徵是所述的示波輸入插口是四個，能夠同步、並行輸入四路電信號。
8.如權利要求2所述的一種光電綜合實驗平臺，其特徵是所述的電路實驗臺上安裝有多種常用的電子元器件，利用這些器件和連接導線能夠組裝成各種實驗電路和光電檢測電路，進行各種各樣的實驗；電路實驗臺上設置有易損件安裝窗口，以便更換易損件。
9.如權利要求2所述的一種光電綜合實驗平臺，其特徵是所述的實驗平臺前面板是可拉開式結構。
專利摘要本實用新型屬於光電綜合實驗平臺。包括計算機系統，光學實驗平臺，測量儀表平臺，電路實驗臺，信號源輸出埠，光電倍增管實驗裝置，信號產生電路板，功能板，示波輸入埠組成；示波輸入埠與功能電路板連接，功能電路板與計算機系統連接；實驗平臺上或光學實驗平臺搭建的被檢測系統通過功能電路板將需要檢測的信號送至計算機中，計算機顯示獲得被測信號的圖形。本實用新型不僅可以滿足學習電學、光學、光電器件、光電技術、光電檢測技術等課程的實驗教學要求，而且，對每種實驗都能進行深入的實驗設計，光電綜合實驗平臺提供了各種電子器件，學生自己動手用連接導線接成各種實驗電路並通過平臺提供的數字電壓與電流表或虛擬測量儀器測量電路參數。
文檔編號G09B25/00GK2870044SQ20052013106
公開日2007年2月14日 申請日期2005年12月31日 優先權日2005年12月31日
發明者王慶有 申請人:王慶有