CN2870044Y

CN2870044Y - 光电综合实验平台

Info

Publication number: CN2870044Y
Application number: CN 200520131061
Authority: CN
Inventors: 王庆有
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-12-31
Filing date: 2005-12-31
Publication date: 2007-02-14
Anticipated expiration: 2015-12-31

Abstract

本实用新型属于光电综合实验平台。包括计算机系统，光学实验平台，测量仪表平台，电路实验台，信号源输出端口，光电倍增管实验装置，信号产生电路板，功能板，示波输入端口组成；示波输入端口与功能电路板连接，功能电路板与计算机系统连接；实验平台上或光学实验平台搭建的被检测系统通过功能电路板将需要检测的信号送至计算机中，计算机显示获得被测信号的图形。本实用新型不仅可以满足学习电学、光学、光电器件、光电技术、光电检测技术等课程的实验教学要求，而且，对每种实验都能进行深入的实验设计，光电综合实验平台提供了各种电子器件，学生自己动手用连接导线接成各种实验电路并通过平台提供的数字电压与电流表或虚拟测量仪器测量电路参数。

Description

光电综合实验平台

技术领域

本实用新型属于实验教学仪器，更具体的应属于光电综合实验平台。

背景技术

综观我国理工科院校现有的大学实验教学仪器，都属于单一模式的仪器，即光学工程类、模电、数电类、传感器类等单一功能的实验教学仪器，这些实验教学仪器虽然能够进行本学科的单科教学实验，但是，不能进行多学科综合性的实验教学，更无法培养学生的综合实验技能。

发明内容

本实用新型提供了一种光电综合实验平台，通过基本光电实验平台的整体设计，使仪器具有光、机、电、算相结合。

本发明的光电综合实验平台，包括计算机系统1，光学实验平台2，测量仪表平台3，电路实验台4，信号源输出端口5，光电倍增管实验装置6，信号产生电路板7，功能板8，示波输入端口9组成；其特征是示波输入端口与功能电路板连接，功能电路板与计算机系统连接；实验平台上或光学实验平台搭建的被检测系统通过功能电路板将需要检测的信号送至计算机中，计算机显示屏幕上显示获得被测信号的图形。

所述的光学实验台由导磁材料平板构成，其上安装能够搭建成各种光学系统的多种光学调整架，并且在这些光学调整架的输出端连接光电接收器，进行光电转换，再将光电接收器的输出接到由电路实验台组建的测量电路。

所述的测量仪表台上安装有数字电流表与数字电压表，分别用来测量电路实验台搭建的电路直流参数；电路实验台上安装有多种电子元器件和搭建电路用的插孔，以便搭建出各种实验电路。

所述的实验平台提供多种信号输出端口，这些信号均来源于实验平台内部安装的信号产生电路板。

所述的实验平台前面设置有光电倍增管。使光电倍增管实验能够既方便又灵活地进行。

所述的示波输入插口是四个，能够同步、并行输入四路电信号；它们是二个量程可变的数字电流表、二个量程可变的数字电压表、一个量程可变的数字高压表和一个自动改变量程的数字照度计测量仪表，直接用来组成各种测量电路。

所述的电路实验台上安装有多种常用的电子元器件，利用这些器件和连接导线能够组装成各种实验电路和光电检测电路，进行各种各样的实验；电路实验台上设置有易损件安装窗口，平台上的所有易损电子器件都安放在此，以便于更换。

所述的一种光电综合实验平台，其特征是所述的实验平台前面板是可拉开式结构。

本发明的功能电路板是使实验平台具有示波与图示功能的重要部件，将具有同步逻辑控制器81、示波逻辑82、参数设置83、A/D组84、存储器组85、伏安特性控制逻辑86、数字阶梯波发生器87、数字锯齿波发生器组88、接口控制电路89等功能的电子元器件焊接在电路板上。

功能电路板测试多路同步示波功能的方法：是由同步逻辑控制器产生示波逻辑，控制A/D组同步对多路被测信号进行转换，并将转换结果存放在存储器组中，再经接口控制电路输出到接口总线上，接口总线传递给计算机系统，将波形显示在计算机屏幕上。

多路同步示波功能的示波逻辑信号的各种具体参数由计算机软件通过接口总线、接口控制电路进行参数设置，实现同步信号可调。

功能电路板测试多路同步示波功能的方法：是同步逻辑控制器81产生SH、SP和FC三路同步脉冲，其逻辑关系如图6所示，再通过示波逻辑82产生示波控制信号同步控制A/D转换电路组84，A/D1～A/Dn； CH1～CHn为连接被测电路的n条信号通道即示波输入端口9，分别连接n组A/D转换电路84；在示波控制信号的控制下同时对n条信号通道进行A/D转换并将数字信息存放到各自相应的存储器85内；示波逻辑发生器在采样数量达到要求后，向接口控制电路89发出信号，请求接口控制电路89传输数据，接口控制电路89通过计算机接口总线90实现与计算机系统1间的数据传输；计算机软件读取各信号通道的数据，并分别显示在计算机系统1的显示器上；SH、SP、FC信号的各种具体设置由计算机软件通过接口总线90、接口控制电路89发送到同步逻辑控制器81。

功能电路板测试晶体管、光电耦合器件与各种光电器件的伏安特性的方法：其特征是采用同步逻辑控制器、伏安特性控制器控制数字阶梯波发生器产生阶梯波送给板外光源；伏安特性控制器还控制数字锯齿波发生器组产生多组锯齿波控制多个板外被测电路或器件；板外被测电路或器件的输出信号通过光电综合实验平台的示波输入端口9与A/D组的输入信号相连；伏安特性控制器A/D组同步对多路被测信号进行转换，并将转换结果存放在存储器组中，再经接口控制电路输出接口总线上，传递给计算机系统，将波形显示在计算机屏幕上。

功能电路板测试晶体管、光电耦合器件与各种光电器件的伏安特性的方法：是将晶体管、光电耦合器件与各种光电器件的伏安特性测试功能的伏安特性控制信号的各种具体参数可由计算机软件通过接口总线、接口控制电路进行参数设置，从而实现伏安特性控制信号可调。

功能电路板测试晶体管、光电耦合器件与各种光电器件的伏安特性的方法：同步逻辑控制器81产生SH、SP和FC三路同步脉冲，通过伏安特性控制逻辑86分别送给两组数字信号发生器—数字阶梯波发生器87和数字锯齿波发生器组88，SH、SP和FC以及阶梯波与锯齿波的逻辑关系如图7所示。阶梯波信号驱动外部光源设备；锯齿波信号驱动n个被测电路或元器件，阶梯波信号驱动的外部光源设备将光信号传递给受锯齿波信号驱动的n个被测电路或元器件。n个被测电路或元器件的输出信号分别连接n组A/D转换电路A/D1～A/Dn；在伏安测试信号的控制下同时对n个输出信号进行A/D转换并将数字信息存放到各自相应的存储器内，伏安测试信号逻辑发生器在采样数量达到要求后，向接口控制电路发出信号，请求接口控制电路传输数据；接口控制电路通过计算机接口总线实现与计算机间的数据传输，计算机软件读取各信号通道的数据，并分别显示在显示器上；SH、SP、FC信号的各种具体设置由计算机软件通过接口总线、接口控制电路发送到同步逻辑控制器。

计算机系统，对同步逻辑信号的各项参数进行设置，并启动设备开始工作，然后进入等待状态，等待硬件申请中断，硬件在设置参数并启动后进行多通道同步的A/D转换，并将转换结果存入存储器内，然后计数，如果计数器的值达到设置的数值则申请中断，否则继续A/D转换，当硬件产生中断请求后，软件响应请求，并开始传输数据、显示波形。数据传输结束后，判断是否要停止设备，如果要停止设备，则停止硬件设备，退出多路同步示波功能，否则等待下一次硬件中断请求。

利用光电实验平台不仅可以满足学习电学、光学、光电器件、光电技术、光电检测技术等课程的实验教学要求，而且，对每种实验都能进行深入的实验设计，从而提高实验水平。光电综合实验平台提供了各种电子器件，学生可以自己动手用连接导线接成各种实验电路并通过平台提供的数字电压与电流表或虚拟测量仪器测量电路参数。

附图说明

图1：光电综合实验平台基本结构；

图2：功能电路板组成模块；

图3：多路同步示波功能系统；

图4：计算机控制流程图；

图5：多路伏安特性测试系统；

图6：多路同步示波同步逻辑；

图7：伏安特性测试控制信号逻辑。

图8：带有泰曼—格林干涉系统的光电综合实验平台；

图9(a)：晶体管共发射极交流放大电路实验装置；

图9(b)：晶体管共发射极交流放大电路图；

图10：光电三极管特性参数测量装置。

其中：1-计算机系统，2-光学实验平台，3-测量仪表平台，4-电子实验操作平台，5-信号源输出端口，6-光电倍增管实验装置，7-信号产生电路板，8-功能电路板，9-示波输入端口，10-He-Ne激光器光源，11-小孔光阑，12-扩束镜1，13-扩束镜2，14-折光反光镜，15-分光镜，16-测量反光镜，17-参考光反光镜，18-成像物镜，19-光电器件，20-光学元件调整、支持架，21-数字电压表，22-数字电压表的测量端子，23-数字电压表的量程转换开关，24-电阻接插孔，25-三极管的3个接插孔，26-数字电位器的3个接线插孔，27-数字电流表，28-示波输入插孔。29-LED光源，30-易损件安装窗口，31-CPLD编程口，41-电子元件接插孔，81-同步逻辑控制器、82-示波逻辑、83-参数设置、84-A/D组、85-存储器组、86-伏安特性控制逻辑、87-数字阶梯波发生器、88-数字锯齿波发生器组、89-接口控制电路、90-接口总线，91-电阻。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明：

图1中所示的光学实验平台2为导磁材料的平台，其上可以安装多种光学调整架，以便构成各种光学系统，进行各种光学及光电系统的实验；测量仪表平台3处安装有二个量程可变的数字电流表、二个量程可变的数字电压表、一个量程可变的数字高压表和一个自动改变量程的数字照度计等测量仪表，它们均可为实验者提供各种实验所需数字仪表，直接用来组成各种测量电路；电路实验操作平台4上安装有多种常用的电子元器件及其接插孔41，利用这些器件和连接导线能够组装成各种实验电路和光电检测电路，进行各种各样的实验。电路实验操作平台4的右侧有一个易损件安装窗口30，平台上的所有易损电子器件都安装在此，非常易于更换。仪器上还装有四个示波输入端口9，可用来并行输入四路信号，便于分析所测电路的电气参数。另外，将光电倍增管实验装置6安装在实验平台前面板上，前面板又为可拉开式结构，便于学生观看实验结构。

仪器内备有计算机系统，由计算机及其操作软件构成简单虚拟仪器，能够完成示波、器件特性曲线等的测量与显示，这些功能由信号产生电路板7和功能电路板8实现。使实验平台构成功能性很强的平台性质的仪器设备。

另外，实验平台的易损件安装窗口30上有CPLD编程口31，通过编程口31与计算机编程软件，可以完成数字电子技术的所有逻辑电路实验，其逻辑输出波形既可以用计算机模拟仿真的方法在计算机显示屏上观察，又可以用仪器示波输入端口采集I/O输出端的输出电压，在计算机显示屏上观测电路I/O口真实的输出逻辑波形。

光电实验平台的主要部件有：

1、半导体光电器件与光电倍增管等光电器件

由电子市场上购买各种品牌的半导体光电器件与光电倍增管均可以用作备测器件。

2、线阵CCD图像传感器

可用于测量光栅的线阵CCD有很多，如TCD1500C(5340像元)、TCD1702C(7500像元)、TCD2901D(10550×3像元)等，这些线阵CCD均为日本东芝公司生产，当然其它公司生产的类似线阵CCD均可以采用。

3、面阵CCD图像传感器

可由电子市场上购买多种品牌的面阵CCD图像传感器。

4、各种光源

可从电子市场上购买各种光源。

5、计算机系统

可由电子市场上购买多种品牌的计算机系统。

6、数字电压表、数字电流表及数字照度计

可由电子市场上购买多种品牌的数字电压表、数字电流表及数字照度计。

通过本发明的光电实验平台可以完成如下的实验：

1.现代光学仪器实验

光电综合实验平台的光学实验平2台为易于安装各种光学器件的磁性平台，其上规则地排列着安装螺孔，便于安装各种光学调整机构，完成多种功能的光学实验，与一般的光学平台无区别。而光电综合实验平台区别于其它光学平台之处在于光电综合平台下面为能够进行光电检测的综合实验器材。能够进行现代光学实验所需的实验，是其它光学实验台无法独立完成的工作。

在光学实验平台2上按图6所示的光学原理图构成泰曼-格林(Twyman-Green)干涉系统，其中，激光器用小功率He-Ne或(中功率)半导体激光器为光源10，激光光源发出的光经小孔光阑11去除杂散光后再经透镜组扩束镜112(凸透镜L₁)与扩束镜213(凸透镜L₂)扩束后投射到折光路用的折光反光镜14上，它反射出去的宽光束入射到分光镜15上，其中一路经参考光反光镜17反射回到分光镜形成参考光束；另一路透过分光镜的光经测量反光镜16也反射回到分光镜形成测量光束；这两束光相遇后由于存在着“波相差”而产生对比度很强的干涉条纹(称为泰曼-格林干涉条纹)。这就是泰曼-格林干涉原理。泰曼-格林干涉条纹经透镜18汇聚成像到光电器件19处，光电器件便可检测到干涉条纹信息。利用干涉条纹所载信息可以进行精密位移量的测量，测量原理及其计算公式请参考“工程光学”与“物理光学”的相关章节。若光电器件为线阵CCD器件，则将其输出接入实验平台的计算机数据采集卡上，计算机系统将完成反光镜位移量Δl的测量。

2.模拟电子技术实验

利用光电综合实验平台电路实验操作平台4上提供的电子元器件可以进行多种模拟电子技术实验，例如晶体三极管特性参数测试实验、各种晶体三极管交、直流放大器实验等。现以晶体管共发射极交流放大电路实验为例说明。

在光电综合实验平台电路实验操作平台4上，先用连接导线将图9(a)中所示的三极管25、电流表27、电压表21、电位器26与电阻24等连接成如图9(b)所示的晶体管共发射极交流放大电路。连接方法如下：将电位器R₁26的一端与+12V电源连接，另一端与电流表27相连。电流表27的另外一端与电阻R224相连，电阻R224的另一端与三极管T25的基极相连。三极管T25的集电极通过电阻R391与+12V电源相连。电压表21一端与三极管T25的基极连接，另一端与三极管T25的发射极连接。将三极管T25集电极与CH228连接。其中电位器R₁26的调整范围为10～51kΩ，电阻R224为5.1kΩ，电阻R391为100kΩ。将电路连接好后，调整电位器R₁26，使I_i从0.01mA开始增大，观测电压U_i的变化，测出晶体三极管共发射极电路的一条伏安特性曲线，即为共发射极三极管交流放大器的输入特性曲线。分析输入特性曲线找到输入特性。

3.数字电子技术实验

利用光电综合实验平台提供的器材完全可以进行各种数字电子技术方面的实验，而且实验档次高，学生收效大。十分有利于对学生动手能力的培养，使学生尽快接触最新的科学技术。

综合实验平台提供的现场可编程逻辑器件(Altera公司的CPLD器件)的编程口31及其编程软件(QUARTUS II)可以实现各种功能的数字逻辑电路。它的I/O端口均引出到电子操作实验平台4上，而且电子操作实验平台4提供了四路同步观测的示波输入端口9，可同步观测和分析四路逻辑信号波形。

4.光电器件与光电技术实验

光电器件的种类很多，实验装置与实验方法类似，现以光电三极管特性参数测试实验为例说明光电器件特性参数的测试实验。

光电三极管特性参数实验装置如图10所示，主要包括LED光源支架、光电三极管支架20，LED光源29和光电三极管19部分构成。通过支架20将LED光源29与光电三极管19安装在光学实验平台2上，将LED光源的电源线连接到电路实验台上提供的电源上，光电三极管的两个电极也通过连接导线连接到电路实验操作平台4上，并在电路实验台上搭建出测量电路；再将测试电路的电源接入实验电路，便可以进行电三极管特性参数实验。

本发明公开和提出的光电综合实验平台，本领域技术人员可通过借鉴本文内容，适当改变结构和组件等环节实现。本发明的仪器已通过较佳实施例子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的仪器进行改动或适当变更与组合，来实现本发明技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。

Claims

1.一种光电综合实验平台，包括计算机系统(1)，光学实验平台(2)，测量仪表平台(3)，电路实验台(4)，信号源输出端口(5)，光电倍增管实验装置(6)，信号产生电路板(7)，功能板(8)，示波输入端口(9)组成；其特征是示波输入端口与功能电路板连接，功能电路板与计算机系统连接；实验平台上或光学实验平台搭建的被检测系统通过功能电路板将需要检测的信号送至计算机中，计算机显示屏幕上显示获得被测信号的图形。

2.如权利要求1所述的一种光电综合实验平台，其特征是所述的功能电路板是：将同步逻辑控制器(81)、示波逻辑(82)、参数设置(83)、A/D组(84)、存储器组(85)、伏安特性控制逻辑(86)、数字阶梯波发生器(87)、数字锯齿波发生器组(88)、接口控制电路(89)等功能的电子元器件焊接在电路板上。

3.如权利要求2所述的一种光电综合实验平台，其特征是所述的光学实验台由导磁材料平板构成，其上安装能够搭建成各种光学系统的多种光学调整架，并且在这些光学调整架的输出端连接光电接收器，进行光电转换，再将光电接收器的输出接到由电路实验台组建的测量电路。

4.如权利要求2所述的一种光电综合实验平台，其特征是所述的测量仪表台上安装有数字电流表与数字电压表，它们是二个量程可变的数字电流表、二个量程可变的数字电压表、一个量程可变的数字高压表和一个自动改变量程的数字照度计测量仪表，直接用来组成各种测量电路，分别用来测量电路实验台搭建的电路直流参数；电路实验台上安装有多种电子元器件和搭建电路用的插孔，以便搭建出各种实验电路。

5.如权利要求2所述的一种光电综合实验平台，其特征是所述的实验平台提供多种信号输出端口，这些信号均来源于实验平台内部安装的信号产生电路板。

6.如权利要求2所述的一种光电综合实验平台，其特征是所述的实验平台前面设置有光电倍增管实验装置。

7.如权利要求4所述的一种光电综合实验平台，其特征是所述的示波输入插口是四个，能够同步、并行输入四路电信号。

8.如权利要求2所述的一种光电综合实验平台，其特征是所述的电路实验台上安装有多种常用的电子元器件，利用这些器件和连接导线能够组装成各种实验电路和光电检测电路，进行各种各样的实验；电路实验台上设置有易损件安装窗口，以便更换易损件。

9.如权利要求2所述的一种光电综合实验平台，其特征是所述的实验平台前面板是可拉开式结构。