《光电子应用系统课程设计》详细教案

第一篇：《光电子应用系统课程设计》详细教案

一.课程设计目的：

1． 学会用振荡电路设计发光管调制电源的方法； 2． 了解微弱信号放大电路的设计思路； 3． 熟悉集成运算放大器的各类性能参数； 4． 了解带通滤波器从噪声中检出弱信号的方法；

5． 学会多重反馈有源带通滤波器的设计步骤和参数计算； 6． 练习如何进行光电信号检测系统的联调试验； 7． 学会利用各种资源查找相关器件的参数特性

二.课程设计内容

1． 发光二极管调制电源设计

A.利用NE555为HG412A砷化镓发光二极管设计一个调制电源。B.要求电源调制频率在最小可调范围为3KHz～7KHz，输出波形占空比50％。且发光二级管的输出功率可以调节。C.画出电路图，简要说明工作原理。

D.实际调试所设计的电路，并总结调试过程中应注意的细节问题。2． 光电微弱信号放大电路设计

A.应用低噪声集成运放LF353的A Part设计一微弱信号放大电路，用于2CU2D型光电二极管输出的微弱电流信号前臵放大。B.放大倍数1000～2000可调，且输出要求除去1/f低频噪声。C.简要说明设计原理。3． 多重反馈有源带通滤波器设计

A.结合前臵放大器，利用运放uA741设计一个二阶有源低通滤波器对放大电路输出的信号进行滤波。

B.滤波器要求品质因素Q为10，中心频率f0为5KHz，中频增益H为5。

C.给出滤波器设计参数的详细计算过程；

D.要求利用其中一个可调电阻调整中心频率f0，其余元件参数固定。4． 光电报警电路设计 A.在已经设计出的HG412A砷化镓发光二极管光源和微弱信号放大器和带通滤波器滤波器的基础上，利用集成运放LF353的B Part和普通红色发光二极管，设计一个光电报警电路。

B.要求当电路未接受到5KHz光脉冲时点亮红色发光二极管，正常接收5KHz光脉冲时发光二极管不点亮。C.简要说明设计原理。

三.基本原理

1．发光二极管调制电源

用555定时器构成多谐振荡器电路如图1所示。电路没有稳态,只有两个暂稳态，也不需要外加触发信号，利用输出端OUT的高电平通过可变电阻R1向电容器C1充电，使UC1逐渐升高，升到2VCC/3时，输出端OUT跳变到低电平，电容器C1通过电阻R1向输出端OUT放电，使UC1下降，降到VCC/3时，输出端OUT跳变到高电平，输出端OUT又通过R1向电容器C1充电。如此循环，振荡不停，电容器C1在VCC/3和2VCC/3之间充电和放电，输出端OUT输出连续的矩形脉冲。由于充放电通道相同，所以输出的波形占空比为50％。

VCC12VVCCR12K_LIN50%Key = A 18VCC47623U1OUT32RSTDISTHRTRICONGNDR2400460%R3752K_LINKey = Space LED1U20.2uF0U30.01uF1LM555CN

图1 发光二极管调制电源原理图

输出信号脉宽周期T的计算公式如下：

vC()vC(0)vC()vC(T1)VCClnVCC1323VCCVCCT1T2lnln20.7R1C 因此输出的矩形脉冲的频率为：

f1T1T211.4R1C

调节R1的大小即可调节输出的频率。此处C1固定为0.2uF，通过计算可知，7KHz 输出频率对应的R1约为0.5K，5KHz输出频率对应的R1约为0.7K，3KHz输出频率对应的R1约为1.2K。因此R1选用2K大小的可调电阻。

用NE555组成振荡器来驱动发光管时，要注意发光管上一定要串联一个限流电阻。使输出电流小于或等于发光管的最大正向电流IF。若振荡器的输出电压为VO，则限流电阻R2取值为：

R1VOVFIFVO1.530mA

设输出VO高电平为5V，则R2应不小于116Ω，如果输出为12V（VCC为12V），则R2应不小于350Ω，因此R2取0.4K，为了调节发光管的输出功率，采用2K的可调电阻R3的来控制发光管输出功率，因此最小输出电流为4.375mA。

课程设计考查点：

1.50％占空比，即电路结构 2.输出频率调节范围 3.二极管限流电阻 4.输出功率可调

2．微弱信号放大电路

由于光敏二极管在工作时近似于一个电流源Is，因此在进行微弱电流信号放大时必须考虑如何进行I-V转换，有两种方法进行转换，一是直接电阻转换，即电流源连接电阻R，然后与取R上的电压进行放大；二是采用跨阻放大的方法进行I-V转换。

采用直接转换的方法时，如果Is不是一个理想的电流源，则R不能获得所有的电流；另外如果R后面接放大器时，放大器的内部电阻是和R并联的，这将使得Is流过的等效电阻变得不确定。因此通常不采用直接电阻转换的方法。

R11.0kVCC12V2CU2D21384R22K_LINKey = A 50%VEE-12VU1AC10.1uFLF353PVCC12VR31.0k

采用跨阻放大的方法，如图所示，Is全部流过反馈电阻Rf，与负载的大小无关，所以就能正确地从电流信号转换为电压信号。在此类应用中，OP放大器的偏流Ib与信号一起流过Rf，再考虑到偏臵电压Vio，输出为：

Vo(IsIb)Rf(1RfRs)Vio

因此Rf不宜过大，否则放大器的偏流将在Rf上行程较大的偏压，当需要更大的转换电阻时，可以考虑采用T型网络的方法来提高放大倍数，同时避免过大的输出偏压。

U3和U2组成高通滤波电路是为了在测量中除去电路中的1/f低频噪声，根据3dB截止频率fc的估算公式1/2лRC，C1取0.1uF，R3取1KΩ，3dB截止频率约为1.6KHz。

50%Rf20K_LINKey = Space Ra1.0kRb100VCC12V22VEE-12V4U4AU31380.1uFLF353PVCC12VU21.0k

参考：

光敏二极管通常温度系数比较大，故很少用于光强的精确测量。光敏二极管的等效电阻室温下比较大，约为1000M，温度升高10度减少一半。等效电容随结面积和二极管偏压变化，零偏压下典型值50pF。

光伏模式：零偏臵，无暗电流，线性度好，低噪声（热噪声，等效电阻引起），精密应用

光导模式：反偏臵，有暗电流，非线性，较高噪声（热噪声＋散粒噪声，导电引起），高速应用

对放大器的要求：

高阻应用中，放大器偏流必须很小，精确测量数十pA范围的光电二极管电流，运放的偏流不应大于数pA。OP07偏流高达4000pA，带偏流补偿的超β双极型运放OP97在室温下偏流约为100pA，适用于高温场合。所以通常选择带FET输入的静电计级运放，但只能工作于有限温度范围内，如AD549，AD645，AD795等，采用JFET输入级，BiFET工艺，将失调电压和失调电压漂移减至最低。

工艺要求：

1.另外必须注意实际电路中潜在的泄漏路径：在＋125度时，长1英寸的PCB上相隔0.05英寸的平行导电印制线具有大约1011欧姆的泄漏电阻，若两条印制线之间存在15V电压，将有150pA的电流流动。2.反馈电阻应用玻璃绝缘的陶瓷电阻或玻璃上的薄膜电阻。3.补偿电容应具有聚丙烯或聚苯乙烯介质。4.连线足够短，电缆尽可能采用聚四氟乙烯绝缘。

5.将放大器的输入与印制电路板上的大电压梯度进行隔离，减少寄生泄漏电流。保护措施是一种环绕输入线路的低阻抗连接，通过将泄漏转移到远离敏感节点的方法来缓冲泄漏。

6.对于偏流极小的应用场和，如利用输入偏流为100fA的AD549的场合，所有与该运放输入端的连线都应接到没有玷污过的聚四氟乙烯隔离绝缘端子上。而不穿过印制电路板上的通孔，印制电路板本身需要仔细清洁，然后用优质共形涂覆材料加以密封，防止湿气和灰尘侵入。7.整个电路应当用接地金属屏进行良好屏蔽，以防止接受杂散信号。失调电压和漂移分析；

1.光敏二极管等效电阻随温度的变化对电路的直流噪声增益产生剧烈的影响。

2.电路每升高10度，偏流加倍。3.热电势，不同温度下不同金属之间进行电气连接将产生热电势。最好是相同材料，相同温度。

4.主要因素为偏流，因此最好降低放大器工作电压，降低输出驱动要求，采取散热措施。

5.输入失调电压可以通过外部失调调零电路。带宽：

信号带宽由补偿电容决定，闭环带宽则由增益带宽积决定。较小的补偿电容得到较大的信号带宽，但相位容限也相应减少。

低频增益由电阻决定，高频增益由电容决定。

增大补偿电容，降低高频噪声增益，降低信号带宽，但积分带宽增大，即闭环带宽增大。后续增加简单的德滤波器就能显著降低输出噪声，主要是滤去了大部分闭环带宽内的噪声，此时电阻噪声和电流噪声便成为噪声主要来源。

噪声分析：

单极点带宽变成等效噪声带宽，需要乘上系数1.57（π/2），电阻器的热噪声为：VR＝（4kTR）1/2，k为玻尔兹曼常数：1.38*10-23J/K，＋25度时1k的电阻噪声谱密度为4nV/Hz1/2，其它电阻的热噪声可以通过将4nV乘以电阻值与1k之比的平方求得。

失调调零电路比失调调零脚的效果好，原因在于调零脚每调零1mV，失调电压的温度系数增加3uV/oC。

3．有源带通滤波器

在放大电路中限制通频带是抑制干扰和噪声很有效的一种方法。信号功率往往只限在很窄的频率范围之内，而白噪声是系统中固有的噪声，其频谱范围很宽，如果信号放大过程中用滤波器仅滤出信号频谱能量，抑制其他频率的能量通过，则能显著提高系统信噪比。

C10.01uFR1V16.2k1 V 5kHz 0Deg C2R362kVEE-12V42U10.01uFR2100R4100_LIN50%Key = A 63715741VCC12V 电路如图所示，二阶有源滤波器的设计公式如下： a)电路的电压增益

H(s)Vo(s)Vi(s)AssBsC2

其中：

A1R1C1;B1C11C2R3;C1R11R2R3C1C2;sj2fj

b)带通滤波器的中心频率f0

f0121R11R2R3C1C2

c)中频增益H

HR3C2R1C1C2

d)品质因素Q

QR31R11R2C2C1C1C2

e)带宽Δf

ff0Q1C11C22R3

电容器比较难以调节，所以设计这种电路时，往往假设C＝C1＝C2，且C是某个实际固定值。三个电阻R1、R2和R3对滤波器性能的影响如下式所示：

R112fHCQ2f0HC

Q2f0C2QR2f2C2f120fHQ22H

R3fCf0C

由上可知： a)R1影响Δf和H b)R2影响f0、Δf和H，但是对Δf和H的影响很小 c)R3只影响Δf 设计步骤如下：

a)根据放大器uA741在f0处的开环增益检查中频增益H的合理性

在f0等于5KHz时，开环增益Av约为500，而H＝5，因此H≈0.01Av(f0)，这样，即使Av变化100％，也能保证H的变化不大于1％。

b)根据运放的输入偏臵电流对R3进行估值

令C＝C1＝C2＝0.01uF，Q取10，由此对R3进行估值

R31fCQf0C10500010863662 若R3取63.7K，根据运放uA741的输入偏臵电流Ib的求输出直流偏移Voo＝IbR3＝800nA×63.7K＝51mV。若输出信号在5V左右，则误差在1%左右。c)计算R1

R1Q2f0HC102500051086366

d)计算R2

R2Q2f0C2QH2102500010821005163

e)验证H、Q和Δf

HR3C2R1(C1C2)63662263665

QR31R11R2C2C1f0QC1C2636621636611632210810

f1C11C22R3263662499.99

三、光电报警电路

电路如图所示，用LF353配臵成一个比较放大器。放大器的正端加2V的左右的偏压，负端加信号电压。当光线未阻断时，从主放大器来的交流信号经二极管检波电路，再经C2低通滤波后得到直流电压，使后面的放大器负输入端电位大于（等于）正输入端电位，则放大器输出电压近似为零，LED管截止，不发光。当光线被阻断时，信号消失，放大器只有正端加正电压，输出为正电压，LED管导通发出红色光以示报警。

R48.0KVEEJ1Key = S 5 V 5kHz 0Deg V1-12VC10.1uFD11N4007R1R21.0k1.5KC210uF12VR32.0kR58.0kVCCR621384U1BR70.2kLF353PVCCLED50%2K_LIN12VKey = Space

C1和R1是承接主放大电路的高通滤波部分，其截止频率为

fc12R1C11210001071.6KHz

D1和R3组成二极管检波电路，同时R3作为C2的放电通道，D1导通时C2开始充电，设输入信号经高通滤波后通过二极管半波整流后的有效值为0.45Vrsm，Vrsm是输入脉冲幅度的最大值，此处设为4V，则C2充电的最终值约为0.45×4＝1.8，考虑到R2对C2的放电效应，实际电压应该小于1.8V，此处估计C2的最终充电电压为1.7V。

在本设计中C2的放电时间显得更为重要，它决定了系统的时间灵敏度，如果光脉冲在被阻断的一瞬间，C2上的电压还没有降到预定值1V以下，则会出现漏报错误，根据5KHz的光脉冲频率可知光脉冲周期为0.2mS，每次留给C2的放电时间只有半个周期，即0.1mS，即在这个时间内C2上的2V电压无法通过R3放电而降到预定值1V以下，设灵敏度为10mS，即出现1mS的光脉冲被阻断，C2上的电压在T2=1mS的时间段放电至1V以下而发出警报，当C2取10uF时可知：

T2lnR302010.7R3C210mS0.710－5T20.7C2

1.5KC2的充电电压达到1V时LF353组成的比较放大器发生翻转，C2充电电压达到1.6V左右时输出应该接近零，而图中反相放大倍数设计为－4，正相放大倍数为5，因此为了使输出端接近零，LF353的正相输入端电压大约为4×1.7/5=1.36V。由此可以大致确定R5和R6的值。当光脉冲信号被阻断时，C2的电压近似为零（实际不为零），则LF353的输出应该在6.8V（1.36×5＝6.8）附近，LED应该加上几百欧姆的限流电阻R7。

根据LF353组成的比较器可知，C2上的电压需要达到约1V才能使LF353输出翻转，因此充电时间为：

T1lnvC()vC(0)vC()vC(T1)ln1.701.71ln2.4280.89RDC2

其中1.7V是C2的最终充电电压，RD为二极管的导通电阻，非常小，因为C2取值在uF量级，因此大致可以估计出充电时间T1在微秒（uS）量级以下。充电时间的大小影响到系统从警报状态到警戒状态的恢复时间，还影响电路开启时进入警戒状态的时间，充电时间越快，进入警戒状态的时间越短。

四、实验仪器

1.示波器3台以上； 2.烙铁5把以上 3.直流电源3台以上 4.线材：飞线、电源线若干

第二篇：光电子课程设计作业

光电子课程设计作业：

1.光敏电阻检测光照亮度

2.基于PSD 的位置测量系统

3.基于PSD位置传感器的杨氏模量测量

4.基于单片机的条纹计数器

 要求：

 在A4的纸上画满黑白相间的条纹，条纹宽度1CM，实现对黑白条纹的计数。

5.基于光电倍增管的弱光检测

6.基于单片机的热电偶测温系统

7.光电转速计设计

8.智能光电定时器设计

设计要求：

1.封面采用统一格式（研究生学院下载）

2.标题 宋+4号，黑体；正文 宋+小4；参考文献 宋+5号。

3.格式：标题、作者、中文摘要、关键词、英文标题、英文摘要、正文、参考文献。

说明：

1.每位同学任选一题。

2.要求尽量完成硬件

3.作业要求交纸质版、电子版和作品，电子版用姓名作为文件名。

4.作业完成后统一交徐宝兄同学。交作业时间：2014.3.3日。

第三篇：光电子课程设计实验心得

回顾此次课程设计，两周时间里，从理论到实践，不仅巩固了以前所学的知识，而且学到了很多书本上学不到的东西。通过课程设计使我懂得了理论与实践相结合非常重要，光有理论知识是远远不够的，从理论和实践中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。成功完成了此次实习要求，我们不只在乎这一结果，更加在乎的，是这个过程。这个过程中，我们花费了大量的时间和精力，更重要的是，我们在学会创新的基础上，同时还懂得合作精神的重要性，学会了与他人合作。

以前没有接触过焊接，都不知道电烙铁和吸锡器如何使用，通过课设使用到了作为电子信息专业的学生以后会用到的工具，对以后有很多帮助。焊接电路板和安装调试中难免会遇到很多困难，但不应想到放弃，必须坚持做下去，才能最终得到正确的结果。在设计过程中还发现了自己的很多不足之处，应该以积极的心态去改正。

此外，这次课程设计与我们的日常生活是息息相关的，以前只知道学习书本知识，都不知道我们将来毕业会从事什么工作。这次课设使我知道我们将来或许可以做出比楼道声光控制灯更加智能更加灵敏的现代科技产品，我很期待也很兴奋，我觉得学好专业课学好一技之长非常重要。

在这次的学习过程中，让我了解要多思考、多比较和多尝试把所学的书本知识应用于实际，培养自己的动手能力。所以说，坐而言不如立而行，对于这些电路还是应该自己动手实际操作才会有深刻理解。

这次，我们是第二个完成的，虽然没有第一组快。但是我们的板子很漂亮、布线也很整齐。

希望以后的学习中能有更多的这样的机会，来培养自己的动手操作能力。同时，很感谢老师对我们的耐心指导和帮助。

第四篇：光电子的发展趋势及应用

用光

电 子

技 术 发 展

态 势 及 应

光电子技术发展态势及应用

1.光电子学的出现和发展

光学的发展历程古老而又漫长，电子学的发展则相对较短。光子学和光子技术可以认为是从1960年激光器诞生才开始出现的一门新型科学与技术。电子学和电子技术是20世纪发展起来的科学技术，现已处于高度发展的水平，广泛的应用于社会各个领域，并且已渗透到日常生活之中，目前正由微电子学与技术向纳米电子学与技术、分子电子学与技术发展。光电子学作为这两个学科的交叉点是一门新兴的学科。关于光的电磁性质及其在介质中的行为，早在19世纪就已经用麦克斯韦（Maxwell）的经典电磁理论进行了研究，关于光的吸收和辐射，在1017年爱因斯坦（Einstein）就建立了系统的理论。但是直到20世纪60年代之前，光学和电子学仍然是两门独立的学科。

1960年世界上第一台激光器研制成功，这标志着光学的发展进入了一个新阶段。随后在对激光器和激光应用的广泛研究中，电子学发挥了重要的作用，光学和电子学的研究有了广泛的交叉，形成了激光物理、非线性光学、波导光学等新学科。70年代以来，由于半导体激光器和光纤技术的重要突破，导致了以光纤传感、光纤传输、光盘信息存储与显示、光计算以及光信息处理等技术的蓬勃发展，从深度和广度上促进了光学和电子学及其他相应学科（数学、物理、材料等学科）之间的相互渗透，形成了一个边沿的研究领域。为此需要引进一个名词来覆盖这一非常广泛的应用研究领域，学术界曾经使用的名词有电光学（Electo-optics）、光电子学（Optoelectronics）、量子电子学（Quanumelectronics）、光波技术（LightWaveTechnology）、光子学（Photonics）等【1】。随着时间的推移，现在用的较多的名词是“光电子学（Optoelectronics）”和“光子学（Photonics）”。光电子学沿用电子学的有关理论，主要研究有光参与的电子器件和系统。光子学是把光子作为信息的载体和能量的载体来研究，包括光的产生、传输、调制、放大、频率转换和检测等。事实上，光电子学和光子学其本质是一致的，只不过其强调的重点不一样，光电子学强调电子的作用，光子学强调光子的作用。

2.光电子技术的应用

光电子学一经出现就引起了人们的广泛关注，反过来又进一步促进了光电子学及光电子技术的发展。光电子技术包括光的产生、传输、调制、放大、频率转换和检测以及光信息处理等。光电子技术应用涉及范围极其广泛，包括天文、地理、物理、化学、计量、生物、医学、工业、农业、军事等各个领域。目前其应用已进入到家庭。

2.1办公现代化设备的应用

办公现代化设备主要是随计算机迅速普及而发展起来的高技术产业, 各国厂商正在竞争中不断开发新一代产品。美日的苹果、兄弟、惠普、佳能、富士通、数据产品、国际商用机器等30余家厂商的主攻产品是激光打印机，推出了几十种高中低档产品。激光打印机兼负现代文书和管理文件打印、轻印刷系统和台式出版系统的排版任务, 配合计算机的一部分功能, 是各国众多公司竞相发展的热门产品之一。随着微机日益普及, 我国对作为重要外围设备之一的激光打印机需求量正迅速增长。目前国内市场的激光打印机均为进口或国内组装产品, 尚无国产。2.2 材料加工的发展

在工业先进国家, 激光加工的地位很高,衡量一个国家工业生产效率及其在发达国家中的位置, 很大程度上取决于其工业用激光器的制造及其引入生产的进度。激光焊接、打孔、切割、微加工等多方面工业应用, 效益同样非常可观。这些方面在国外加工中占据主要地位, 由于国内材料加工业的技术改造资金来源受体制影响有极大困难, 因而没有形成有影响的产业, 只有通过体制改革发展我国的激光材料加工业。

2.3 激光医学应用

激光在医学中的应用是众所共知的具有最好社会效益和经济效益的热门应用。国外激光医疗器械朝着眼科治疗、显微手术、微血管吻合、血管阻塞疏通等高精细手术装置发展, 而国内生产单位仍固守体表治疗、激光针灸和穴位治疗、气功信息治疗等具有中医特色的简易激光器械生产, 高精细手术用的激光器械, 或因销售情况不佳, 或因技术条件不足, 或因资金较为困难, 没有产品上市, 市场只好拱手让给美日厂商，国内的激光医疗器械市场极大的。

2.4 通信、存储领域中的应用

光电子技术在这类热点应用中潜力很大, 如通信、存储、条码扫描、质量检验、全息照相、激光刻蚀和绘画、娱乐设备等, 都充当了重要角色。激光和光电子在其它消费类应用中的份额, 在世界市场上也呈逐年增长的趋势。

2.5 矿井安全中的应用

随着光电技术, 尤其是光电子器件的发展, 红外型传感器用于各种危险场合气体成分的检测已逐渐成为现实。红外线瓦斯传感器工作稳定, 可满足不同地点、不同精度的要求, 并且易维护, 使用寿命长, 适应性强。光纤传感器具有一些常规传感器无可比拟的优点, 如灵敏度高, 响应速度快, 动态范围大,防电磁干扰, 超高绝缘, 无源性, 防燃防爆, 适于远距离遥测, 体积小, 可灵活柔性挠曲等, 很适于在恶劣和危险环境中应用, 因而得到广泛重视。分布式光纤传感利用光导纤维具有的传输双重特性,实现对待测场光纤分布的多点甚至连续点测量,以达到取代多台独立点传感器的目的。

3.光电子技术研究的几个方向和热点

光电子技术不断地向前发展，特别是近年来，出现了很多新的发展趋势和研究热点。

3.1各种新型激光器的研究 激光器是光电子技术的核心，正是激光器的问世与发展促使了光电子学的兴起与发展。在光电子技术的发展中，激光器也得到了迅速的发展。近年来各种新型激光器的不断涌现，又为光电子学和光电子技术的进一步发展注入了新的活力。半导体激光器又称为二极管激光器，广泛地应用于各个领域，尤其是与计算机、通信技术和军事技术应用紧密结合，因此其技术和市场一直呈高速增长的趋势【2】，半导体激光器已经成为激光器的主流。量子阱超晶格人工改性新结构、新材料的出现及能带工程的成功应用推动了光电子器件和半导体激光器的发展，半导体激光器的研究向宽带宽、大功率、短波长以及中远红外波长发展。随着半导体激光器的发展，全固化固体激光器将以更优异的性能取代传统泵浦方式的固体激光器，成为固体激光器发展的主流。其他激光器如原子激光器的研究等也取得了进展。

3.2 硅基光电子技术的研究 我们知道，硅和锗是微电子学中最重要的基质材料，在硅材料上发展起来的集成电路已对电子计算机、通信和自动控制等信息技术起了关键的作用。随着信息技术的日益发展，对信息的传递速度、存储能力、处理能力提出了更高的要求。但是硅集成电路受到尺寸和硅质材料中电子运动速度的限制，很难满足发展的要求。如果能在硅芯片中引入光电子技术，用光波代替电子作为信息载体，则可大大地提高信息传输速度和处理能力。由于硅和锗都是间接带隙材料，电子不能直接由导带底跃迁到价带顶发出光子，为了满足动量守恒定律，它只能通过发射或吸收一个声子，间接跃迁到价带顶。这是一种多体效应，跃迁几率很小【3】，因此硅和锗都是发光效率低的材料。为了克服硅材料发光效率低的问题，实现在一块硅片上集成电子器件和发光器件，也为了发展硅基光电子技术，国外研究人员进行了不懈的努力，为了提高硅（或锗）的发光效率，提出和研究了多种硅基发光材料，如掺铒硅、多孔硅、纳米硅、硅基异质外延、超晶格和量子阱材料等，并取得了一定的成果。Kimerling等人【4】采用标准的集成电路工艺，在SOI（Si-on-insulator）上将侧面光发射的掺铒硅发光管与硅波导集成在一起。Ksybeskov等人【5】和Hirschman等人【6】采用硅微电子制备工艺将双极晶体管和多孔硅发光管集成在一个硅片上。另据报道，英国的一个科研小组最近研究出了一种在室温下能发光的全硅的发光二极管（LED）。我们相信，将来有可能出现一种全硅的激光器。硅基光电子技术正向集成化发展。一旦实现了全硅光电集成，将对光电子技术其他方面的发展具有重要的意义。

3.3 有机聚合物光电子材料的研究 随着材料科学的发展，有机聚合物材料的日趋成熟，聚合物光电子学日益为人们所重视。据1993年I BM公司的Almaden研究中心报道，他们使用聚合物电光调制器和832nm半导体激光器实现了6个模拟电视信号的同时传输和接收，第一次在模拟信号传输中使用聚合物调制器并获得较高的信噪比。由于有机聚合物的合成、加工、器件制备方面相对容易、价格低廉，而且它们有相对低的介电常数，因而有更高的调制频率和较低的驱动功率，并且容易与半导体器件和光纤传输集成，具有响应性能快、非线性光学系数大等优点，引起了人们的广泛兴趣。聚合物热光开关的工作原理是这样的：当DC或A C电流通过薄金属层时，加热引起的聚合物的线性膨胀，使得聚合物的折射率降低。与电光开关的情况相比，热光调制引起的折射率要大得多，最高可以达到0.01。现在AKZONOBEL公司已经批量生产聚合物热光开关【7】。人们开展了聚合物超快全光开关的研究，并取得了一定进展。聚合物电光调制器在CATV、高比特网络、相阵列系统和计算机平行互联等方面的研究也取得了很大的进展。聚合物光电子材料的应用前景十分诱人。

3.4光互连、光计算技术的研究 在因特网迅速发展的今天，信息快速入网和出网的分派能力决定系统所传输的巨大信息量能实时利用的有效性。相对于光信息传输器件来说，光信息交换互连技术器件的发展不如光信息传输的发展快【8】，因此有必要加强对光交换技术的研究。光互连技术的内容主要包括光交换网络和电子计算机的光互连，这是在信息光学中最有广泛应用前景的研究领域。在光交换网络的光互连中，还应多研究在集成光学中的光波导交换开关、自由空间光学中的多级交换网络。在电子计算机的光互连中，还应多研究芯片间的自由空间和波导光互连，插件板之间的自由空间和波导光互连，多处理器之间的自由空间或光纤互连及并行计算机的光学总成等。以数值计算为目的的光计算研究分为专用性的光计算系统和通用性的光计算系统两大领域，数值的光学处理又分为模拟量编码和数字量编码两种。专用性计算系统主要包括以光学矩阵运算为主导的光学代数运算器通用的光计算系统的算法和体系，主要借助于已有的并行计算机的算法和体系。在光互连和光计算领域的研究方面，国外的研究人员已经开始研究在路由器中用全光学矩阵开关来取代原有的电开关，并在光计算方面也取得了进展。

3.5大容量光存储的研究

现代化信息社会对大容量、快速存取时间的存储系统有着日益增长的要求。传统使用的存储采用磁盘技术，这一技术发展相当成熟，磁盘的存储容量大（可以达到几十G）、存取时间短（0.1ms）、存储时间长并且可擦写。但是它遇到两方面的困难：一是尺寸限制，二是信噪比难以提高。传统的磁盘存储方法由于其存储素元难以进一步缩小，很难提高其存储容量了。而光盘作为存储介质和光子技术的使用，是大幅度提高存储容量的出路。光盘的存储量决定于记录介质写入位尺寸和写读斑的大小。采用短波长的半导体激光器，可以大幅度降低介质光斑的大小，提高存储容量。目前选用波长为780nm和640nm的激光器，采用复膜技术及双光头读写技术，已使存储容量达到数G b范围。为进一步提高存储容量，一方面使用更短波长的激光器并进行光斑压缩；另一方面，也可通过改变存储介质和存储方法来提高存储量。与此同时，发展新型的集成激光器面阵和高密度半导体低维结构高速空间光调制器也将促进高密度存储技术的发展。今年4月23日至25日在美国召开的“光学数据存储2001年会”上，日本的东芝、三菱电子、NEC等三家大公司同时报道了光盘单面存储密度为25～32GB的实验结果。近场光学存储，以超衍射分辨为特征，从根本上克服了点存储的密度极限限制，无疑是光盘存储的重要发展方向。其技术难点集中在近场距离的控制上，通过适当的技术手段，保持头盘间距能够限制在近场范围之内，近场存储就有望成为下一代盘式存储的主要技术手段【9】。

3.6生物医学中的光电子技术

生命科学是当今世界科技发展的最大热点之一，也是光电子技术的一个重要应用领。近年来，生物医学中的光电子技术研究十分活跃，发展十分迅速，它将开拓生命科学的一个新领域。目前，生物医学中的光电子技术研究的主要内容包括两个方面：一是生物系统中产生的光子及其反映的生命过程，以及这种光子在生物学研究、医学诊断、农业、环境、甚至食品品质检查方面的重要应用，利用光电子技术对生物系统进行检测、治疗、加工与改造等。二是医学光电子学基础和技术，包括组织光学、医学光谱技术、医学成像技术、新颖的激光诊断和激光医疗技术及其作用机理的研究。

参考文献

【1】殷一贤。关于光电子学与光子学【J】。激光杂志19 98，1 9(1)：12 0。【3】陈维德。21世纪的光学和光电子学讲座（第二讲）：硅基发光材料和器件研究 【J】。物理，2000，2 8(12)：74 1-745。

【4】Kimerling LC，Kolenbrander KD，MichelJetal。SolidStatePhys，19 97，5 0：3 33341。【7 】Keil N，Yao H，ZawadzkiC。Integrated Photonics Research【Z】。1998 Technical DigestSeries，Canada ：Vactoria。353-355。

【8】吴荣汉。21世纪的光学和光电子学讲座（第三讲）：信息网络与半导体光电子学【J】。物理，2000，29(1)：45-49。【9】孙利群，章恩耀，王佳等。基于近场光学超衍射分辨力的高密度光存储【J】。光电子·激光，2001，12(6)：646-652。

第五篇：信号与系统课程设计教案

信号与系统课程设计教案

一、matlab工作空间介绍。

二、信号处理部分：

1）信号的产生，matlab工具箱，自己编程函数仿真，导入实际数据。2）信号的卷积，奇偶分解，各种性质的验证。3）信号分解的基本原理。

4）信号分解的算法实现，自己编程验证。5）结合实验给出实验分析和结论。

三、离散信号处理部分：

1）信号分解算法的离散化。2）信号分解的基本原理。

3）信号分解的算法实现，自己编程验证。4）结合实验给出实验分析和结论。

四、信号滤波处理部分：

1）将信号进行傅里叶分解。2）在频率域进行理想滤波。3）将信号变换到时间域。

4）结合实验结果给出实验分析和结论。

五、连续系统分析部分：

1）电路系统建模或者已有微分系统方程。2）根据输入求解系统的响应。3）求解系统的单位冲激响应。

4）编程实现，验证系统的因果性，稳定性。

六、离散系统分析部分：

1）电路系统建模或者已有差分系统方程。2）根据输入求解系统的响应。3）求解系统的单位脉冲响应。

4）编程实现，验证系统的因果性，稳定性。实验报告组成：

1、实验基本原理

2、理论分析求解

3、实验编程验证

4、实验结果分析。

一、基本函数：

1、函数变量的定义。

syms是定义符号变量sym是将字符或者数字转换为字符

比如syms x y %就是定了符号变量x y以后x y就可以直接使用 sys('a+b')%就是将a+b转化为符号表达式。

2、单位阶跃信号。Heaviside()。

syms t;f=heaviside(t-4)；或者f=@(t)heaviside(t-4);ezplot(f,[0 5])

3、单位冲激信号 f=@(x)dirac(x-2);

二、示例演示分析 示例1：

1设f(t)e2tu(t)，画出该信号的及其幅频图。

21、概述：掌握信号傅立叶变换的计算方法。

2、设计任务，即要设计的主要内容和要求等

掌握信号傅立叶变换的计算方法以及程序求解方法。

3、设计原理

4、设计方案

5、测试过程及结果

6、结论或小结

第一步，计算信号的傅里叶变换 第二步，理论分析 第三步，实验验证 syms t v w x;x=1/2*exp(-2*t)*sym('heaviside(t)');F=fourier(x);subplot(211);ezplot(x);subplot(212);ezplot(abs(F));第四步，实验分析

示例2：周期信号的傅里叶级数

将振幅为1Hz的正弦波和振幅为0.5的5Hz的正弦波相加进行分析，研究能否从中分析出含有这两种频率的信号。

1、信号源仿真

f(t)sin(2t)sin(25t)。

2、理论分析 运用什么工具来做，实信号的傅里叶级数展开式

2Takf(t)cos(kw0t)dt

T02Tbkf(t)sin(kw0t)dt

T02Nakf(n)cos(nw0k) Nn02Nbkf(n)sin(nw0k)

Nn02akN2bkNf(n)cos(2nk/N)

n0NNf(n)sin(2nk/N)

n0ckak2bk2

3、实验验证

clear all N=256;dt=0.02;n=0:N-1;t=n*dt;x=sin(2*pi*t)+0.5*sin(2*pi*5*t);%Ðźżӵõ½µÄºÏ³ÉÐź m=floor(N/2)+1;a=zeros(1,m);b=zeros(1,m for k=0:m-1 for ii=0:N-1 a(k+1)=a(k+1)+2/N*x(ii+1)*cos(2*pi*k*ii/N);b(k+1)=b(k+1)+2/N*x(ii+1)*sin(2*pi*k*ii/N);end

c(k+1)=sqrt(a(k+1).^2+b(k+1).^2);end

subplot(2,1,1),plot(t,x);title('原始信号'),xlabel('时间/s')subplot(2,1,2),plot((0:m-1)/(N*dt),c)title('Fourier变换'),xlabel('频率/Hz'),ylabel(幅度')

4、实验分析

示例3：傅里叶变换的数值计算 离散理论分析：

F(w)f(t)ejwtndtlimnf(n)ejwn，因为信号为衰减信号，可以得到下面近似：

nN1F(k)F(kw1)n0f(n)ejkw1n,w12。N1,t1已知门信号g(t)，求其傅里叶变换，并画出图形。

0,t1

1、计算信号的傅里叶变换：

傅里叶变换可求得该信号的频谱为F(w)2sa(w)；

2、理论分析：该信号的频谱为F(w)2sa(w)，第一个过零点频率为，一般将此频率认为信号的有效带宽，故采样频率应该大于有效带宽的两倍，但是因为F(w)在有效带宽外有频谱泄露，故应适当提高采样频率，我们设定为w050，所以抽样间隔应该为110.02。

w2f0202

3、实验验证：

R=0.02;t=-2:R:2;f=heaviside(t+1)-heaviside(t-1);W1=2*pi/R;N=size(t,2);k=0:N-1;W=k*W1/N;F=f*exp(-j*t'*W)*R;F=real(F);W=[-fliplr(W(1:101)),W(2:101)];F=[fliplr(F(1:101)),F(2:101)];subplot(2,1,1);plot(t,f);xlabel('t');ylabel('f(t)');title('f(t)=u(t+1)-u(t-1)');subplot(2,1,2);plot(W,F);xlabel('w');ylabel('F(w)');title('f(t)µÄ¸¶Êϱ任F(w)');

4、实验分析