【正文】 本人授權 。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。除了文中特別加以標注引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。 作 者 簽 名： 日 期： 指導教師簽名： 日 期： 使用授權說明 本人完全了解 大學關于收集、保存、使用畢業(yè)設計（論文）的規(guī)定，即：按照學校要求提交畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版本；學校有權保存畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務；學?？梢圆捎糜坝　⒖s印、數(shù)字化或其它復制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績热?。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構的學位或學歷而使用過的材料。 在以后的學習生活中，我將加強專業(yè)知識的學習，爭取早日成為一名優(yōu)秀的工程師。 畢業(yè)設計是本科教育非常重要的階段 ，借此回顧本科四年，學到了很多，也成長了很多。這些是相當不應該的，也給了我以后學習和工作長了一個教訓。這 些都體現(xiàn)在論文的一張張仿真電路圖中。最后，我通過泡圖書館查資料，與指導老師討論，大量參考國際、國內期刊上的論文，最終寫出了自己的成果。后來，隨著整個論文工作的推進，在一些細節(jié)方面的問題上，我終于感覺到了原來這個課題并沒想象中簡單。 在這次畢業(yè)設計具體實施過程中，剛拿到課題時，我認為這個課題還是比較簡單的，至少，課題名稱不難理解，內容在課堂上也學過。通過這次畢業(yè)設計使我明白了自己原來知識還比較欠缺。在沒有做畢業(yè)設計以前覺得畢業(yè)設計只是對這幾年來所學知識的單純總結，但是通過這次做畢業(yè)設 計發(fā)現(xiàn)自己的看法有點太片面。 在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意 !謝謝你們 !本科畢業(yè)設計論文 41 畢業(yè)設計小結 畢業(yè)設計心得體會 隨著畢業(yè)日子的到來，畢業(yè)設計也接近了尾聲。在此謹向 胡 老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。他嚴肅的科學態(tài)度，嚴謹?shù)闹螌W精神，精益求精的工作作風，深深地感染和激勵著我。圖 52 和圖 53 是覆銅完畢的PCB 版圖，分別是正面和反面。對于一個圖 39 所示的 14 腳 LD 組件（由于 Altium Designer 6 中沒有對應的 LD 組件，因此只能用一個典型的 14 腳芯片代替），我們用 Altium Designer 6 設計出如下PCB 板圖。其主要功能有： 1 )原理圖設計 2 )印刷電路板設計 3 )FPGA 的開發(fā) 4 ) 嵌入式開發(fā) [17] LD 組件電路 PCB板的制作 由于 LED 光發(fā)射電路比較簡單，所以我們只對帶尾纖的 LD 組件進行 PCB板制作。 Altium Designer 除了全面繼承包括 Protel 99SE、 Protel DXP 在內的先前一系列版本的功能和優(yōu)點外，還增加了許多改進和很多高端功能。 本科畢業(yè)設計論文 36 第五章 LD 光發(fā)射機電路的 PCB 板制作 印制電路板制作軟件 Altium Designer 的介紹 Altium Designer 是原 Protel 軟件開發(fā)商 Altium 公司推出的一體化的電子產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng) 。 本科畢業(yè)設計論文 35 圖 49 圖 49 是工作時的示波器圖形，從上到下 4 條紅色圖線分別是運放正端（偏移 1 格），運放負端（無偏移）， Q2 基極電位（無偏移）， Q2 發(fā)射極電位（偏移1 格）。在一段時間內，若是有較長的連 0 序列或者連 1 序列，這是探測的平均光功率就會減小或增大，從而引起控制電路產(chǎn)生誤動作。當某種原因引起輸出光功率減小的情況時同理。運放的負極則連接信號源，并用 R2 調整與運放正端的平衡。 另外， R8 用以對運放的輸入電壓進行調整，進而調整 Q2 的輸入電壓。根據(jù) Q2 的參數(shù)與前面 LD 主驅動電路所要求的 Ib 值，可以大致算出 R R6 的取值。如圖 48 本科畢業(yè)設計論文 34 圖 48 圖中采用了 1kHz 的信號源（相當于 1kb/s 的輸入信號），通過對 RC 電路時常數(shù)的適當計算，得出 R6 與 C1 和 R7 與 C2 的參數(shù)，從而更好的對輸入信號進行濾波。如圖47， R4 的電阻由 50%變?yōu)?40%，經(jīng)過 R6（致冷器）的電流因此增大到 1A，致冷器開始工作，使 LD 溫度下降，起到保護作用。 本科畢業(yè)設計論文 33 圖 46 當熱敏電阻變化時，滑動變阻器 R4 就要隨之變化。集成運放的正負端電壓為 0V，因此輸出也為 0V。 R3 的滑動變阻器用于調節(jié)致冷器電流，在一個適當?shù)臏囟认拢吕淦魅绻粦敼ぷ?，那么可以調節(jié) R3 使電橋平衡，運放輸出為 0V。所建立的自動溫度控制電路如圖 45 所示。顯而易見 Q1 導通， Q2 截止，流過 LD 的電流為預偏置電流 ，因此 LD 幾乎不發(fā)光 [16]。所以 LD 工作并發(fā)光。 圖 43 當輸入信號為高電平 5V 時，由圖 44（ a）得經(jīng)過 Q1 的電流接近 0mA，顯然是 Q2 導通， Q1 截止。 Ub 的取值則取為 “0”、 “1”電平之間，設為 ，這樣能起到開關電路的作用 [16]。我們設 LD 內阻為 ，且其閾值電流略為 50mA，因此設置預偏置電流為 50mA。 LD 主驅動電路的仿真 LD 電路相比較 LED 更加復雜，包括了主驅動電路，自動溫度控制電路和自動功率控制電路。 本科畢業(yè)設計論文 29 （ a） （ b） 圖 42 本科畢業(yè)設計論文 30 觀察 a 圖我們發(fā)現(xiàn)當輸入信號為 5V 時，探針 1 位置的電壓為 ， LED被導通發(fā)光；觀察 b 圖，當輸入信號為 0V 時，探針 1 的電壓為 ， LED 未導通，不發(fā)光。其他元件參數(shù)適當選取。 LED 光發(fā)射機的仿真 應用 Multisim 13，我們對圖 32 進行仿真，適當選取元件參數(shù)值，圖 41 展示了仿真電路圖。 因此，學習 Multisim，可以提高仿真能力，綜合能力和設計能力，還能進一步提高實踐能力。憑借 NI Multisim，可以立即創(chuàng)建具有完整組件庫的電路圖，并利用工業(yè)標準 SPICE 模擬器模仿電路行為。通過 Multisim 和虛擬儀器技術， PCB 設計工程師和電子學教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設計和測試這樣一個完整的綜合設計流程。 工程師們可以使用 Multisim 交互式地搭建電路原理圖，并對電路進行仿真。 本科畢業(yè)設計論文 27 第四章 光發(fā)射機的仿真 仿真軟件 NI Multisim 的介紹 Multisim 是美國國家儀器（ NI）有限公司推出的以 Windows 為基礎的仿真工具，適用于板級的模擬 /數(shù)字電路板的設計工作。為了防止在某些時間間隔中較長的連 “0”或連 “1”出現(xiàn)而導致控制電路誤判，將傳輸?shù)男盘栃蛄性偎腿脒\算放大器異名端，這樣就使檢測到的光信號要與電信號進行比較，從而保持不論傳輸怎樣的隨機序列，控制電路都能正常工作。圖中 PD 接收來自 圖 35 中 LD 的光， Ib 即與圖 35 中 Ib 相連。這張平均控制法在國內外被廣泛采用。 由于由于激光器的閾值電流會隨溫度和器件的老化而變化，因此必須采取附加控制措施，通常可以從兩方面進行控制：第一，控制激光器的偏置電流，使其自動跟蹤閾值的變化，從而使激光器總是偏置在最佳 工作狀態(tài)；第二，控制激光器調制脈沖電流幅度，從而保持輸出光脈沖信號的幅度不變。 溫控電路的控制精度，與外圍電路的設計和激光器的封裝技術有關，一個高質量的封裝，應能使熱敏電阻能準確反映結溫，同時致冷器與 pn 結應有良好的熱傳導。熱敏電阻 Rt 接在電橋的一個臂上，通過調整滑動變阻器， 在 臨界的 溫度下，電橋的狀態(tài)應處于剛好使致冷器沒有電流通過，但溫度升高時，致冷器開始工作。℃ 的范圍之內，從而使激光器有較恒定的輸出光功率和發(fā)射波長。 圖 36 為提高致冷效率和控制精度，激光器的溫度控制常采用內致冷的方式，即：將致冷器 和熱敏電阻封裝在激光器組件管殼內部，熱敏電阻直接探測結區(qū)溫度，本科畢業(yè)設計論文 25 致冷器直接和激光器的熱沉接觸。所謂波耳幀效應是指當直流電流通過兩種半導體 (P 型和 N 型 )組成的電偶時，利用其一端吸熱而另一端放熱的效應。熱敏電阻監(jiān)視激光器的結溫，與設定的基準溫度比較、放大后，驅動致冷器控制電路，改變制冷量，以保持激光器在恒溫下工作。目前最常用的方法就是（ 1）自動溫度控制（ ATC）；（ 2）自動功率控制（ APC） [12]。 3)隨著溫度的升高，半導體激光器的發(fā)射光波長的峰值位置向長波方向移動，從而使輸出光信號頻率降低，影響激光器的使用。不設法穩(wěn)定其輸出光功率，難以實用化。 由于半導體激光器對溫度的變化極其敏感，穩(wěn)定激光器的輸出光信號是必須研究的問題。 上述電路實際是一個最基本的 LD 調制電路，不帶有任何反饋調節(jié)機制，當溫度變化或者器件老化等因素發(fā)生時，電路會越來越不穩(wěn)定，最終無法工作。 T1 和 T1 輪流截止導通，光強也隨之變化，達到了光強度調制的目的。當信號為 “1”碼時。普通的 LD 調制電路用一級射極耦合跟隨器 LD 驅動電路就可完成，如圖 34 圖 34 電流源和由 T1 與 T2 組成的差分開關電路提供了恒定的偏置電流，此即為流經(jīng) LD 的靜態(tài)電流。其中最常用的是差分電流開關電路。 其中閾值電流 Ith 大約為 50mA。 驅動電路的設計 數(shù)字 LD 調制系統(tǒng)通常工作在稍低于閾值狀態(tài)的工作點。 這樣的一個實用化 LD 組件，是一個標準的 14 腳芯片，直接插入外圍電路現(xiàn)成的 PCB 板就可以立即從尾纖發(fā)光，大大簡化了 LD 光發(fā)射機的使用。在 LD 組件內部，熱敏電阻直接接觸 LD 溫度，通過外圍電路控制致冷器，致冷器接觸 LD 使 LD 降溫，形成自動溫度控制電路。同樣這樣接的還有 8 兩腳，光電二極管位于這兩腳之間，電流從 7 腳流入， 8 腳流出。它將各個關鍵元件如 熱敏電阻，致冷器， LD 激光器，光電二極管 PD 等元件封裝在一個芯片中，并在外部接上引腳和尾纖（用以輸出光信號），其外部引腳如圖 39 所示，引腳說明如表 31 所示，使用起來十分方便 [14]。 上述種種問題，導致了 LD 光發(fā)射電路要比 LED 復雜的多。 閾值電流會隨使用年限而改變。其設計問題更加復雜，尤其是在高速調制系統(tǒng)中，驅動條件的選擇、調制電路的形式和工藝，都對調制性能至關重要。 LED 電路的仿真結果將在下一章中詳細描述。導通時的電流為 2 RR vVI dC ? ??? (22) 其中， 是導通時的飽和壓降 Uce， Vd 是 LED 的正向導通壓降。 圖 32 當基極電流為零時，可以看出， T 截止，集電極電流很小，經(jīng)過 LED 的電流因此極小， LED 幾乎不發(fā)光；當基極電流很大時， T 導通，并處于飽和狀態(tài)。 在實際使用中，常用晶體管提供開關機制。圖 31（ b）圖所示的并聯(lián)開關調制器的工作原理與串聯(lián)電流類似。 本科畢業(yè)設計論文 20 圖 31 （ a） (b) 對 a 圖，其實是一個串聯(lián)型電路，開關斷開不允許電路通過，則關閉 LED；而開關閉合則產(chǎn)生電流 R vVI ddc ?? (31) 其中， Vd 是二極管正向壓降，電阻 R 和外電壓決定了二極管的電流。這樣即使相鄰的輸入脈沖信號有一定變化，也可以使所有的輸出脈沖有完全相同的功率。 LED 光發(fā)射機的設計 LED 光發(fā)射機的數(shù)字驅動電路比較簡單，只需要簡單地開啟和關閉 LED。在光纖通信中，現(xiàn)在常用的是數(shù)字調制。 從調制信號的形式來說，光調制又可以分為模擬調制與數(shù)字調制。間接調制最常用的是外調制的方法，既在光輻射產(chǎn)生后再加載調制信號，其具體方法是在激光器輸出端外的光路上放置光調制器，在調制器上加調制電壓，通過 調制器的光束得到調制。直接調制具有簡單、經(jīng)濟、容 易實現(xiàn)等優(yōu)點，是光纖通信中最常采用的調制方式，這種方式適用于半導體激光器和發(fā)光二極管，因為發(fā)光二極管和半導體激光器的輸出光功率（對激光器來說是指閾值以上線性部分）基本上與輸入電流成正比，而且電流的變化轉換為光強調制也呈線性，所以可以通過改變注入電流來實現(xiàn)光強度調制。 本科畢業(yè)設計論文 19 第三章 光發(fā)射機的設計 一般來說，調制技術可以分為直接調制與間接調制。LD 組件加上外圍電路，能實現(xiàn) ATC 和 APC 的所有功能，使用起來十分方便。 因為以上的這些應用過程中出現(xiàn)的問題，人們應用自動溫度控制電路（ ATC）和自 動功率控制電路（ APC）來解決它們。主要表現(xiàn)為激光器的閾值電流隨溫度呈指