光电信息技术实验.docx

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1、实验一 阿贝原则实验一、 实验目的1. 熟悉阿贝原则在光学测长仪中的应用。二、 基本原理1. 阿贝比较原则 万能工具显微镜结构及实物图所示。万能工具显微镜的标准件轴线与被测件轴线不在一条直线上，而处于平行状况。产生的阿贝误差如下： 一阶误差，即阿贝误差2结论 1）只有当导轨存在不直度误差，且标准件与被测件轴线不重合才产生阿贝误差（一阶误差）。 2）阿贝误差按垂直面、水平面分别计算。 3）在违反阿贝原则时，测量长度为的工件所引起的阿贝误差是总阿贝误差的。 4）为了避免产生阿贝误差，在测量长度时，标准件轴线应安置在被测件轴线的延长线上（阿贝原则）。 5）满足阿贝原则的系统，结构庞大。3.阿贝测长仪

2、阿贝测长仪中，标准件轴线与被测件轴线为串联形式，无阿贝误差，为二阶误差，计算形式如下：三、 实验内容1. 万能工具显微镜进行测长实验1）仪器：万能工具显微镜，精度：1微米。用1元、5角、1角的硬币，分别测它们的直径，用数字式计量光栅读数及传统的目视法读数法。每个对象测8次，求算数平均值和均方根值。2）实验步骤： 瞄准被测物体一端，在读数装置上读一数；瞄准被测物体另一端，在读数装置上再度一数（精度1微米）；两次读数之差即为物体长度。3）实验结果：次数12345678均值结果/mm11.45311.45111.45611.45811.46411.43811.44511.450数据处理：由8次测量结

3、果可以算出硬币的平均直径，算数平均值：求均方根值：实验小结 通过本次实验，学习了阿贝原理以及产生阿贝误差的原因，并且具体运用其测量了光学仪器实际物品，从而熟悉阿贝原则在测长仪器中的应用，也明白了串联式测量仪的有点。实验二 激光平面干涉仪实验一、 基本原理 仪器：PG15-J4型激光平面干涉仪1台 内容：玻璃材料的平面度测量 精度：100nm激光平面仪原理图仪器结构 平面干涉仪基于双光束等厚干涉原理进行精密观测。如图3.1所示，图中s是扩展光源，位于准直透镜L1的前焦面上，发出的光束经透镜L1准直后射向玻璃片M，再从玻璃片反射垂直投射到楔形平板G上。入射光束在楔形平板下表面的反射光透过平板上表面

4、和玻璃片反射向L2.按照确定定域面的作图法，可知定域面在楔形平板内部的BB的位置。如果平板不是太厚，且平板两表面的楔角不是太大时，定域面非常接近平板下表面，这样如调节显微镜L2对准平板下表面，就可在显微镜像平面E上观察到楔形平板产生的等厚条纹。 平面干涉仪结构如图3.2所示。由组合星点G1发出的单色光经棱镜G2后，投向主镜表面折射为平行光后，射向主镜下表面（A面）及被测光学表面，A面和被测光学平面反射回来的光重叠相干后，经棱镜G2反射，进入接收件。星点可由激光管G5、棱镜G6、光源强度调节发散镜G7组成。接收件可以由人眼G10，成像物镜G15和测微目镜G11，或由分光棱镜G12、可动小孔G13

5、和摄像头G14组成的摄像。二、 实验内容：1.玻璃材料的平面度测量。1） 测量局部误差 2） 测量整个面形误差（用） 光圈数 不足一个光圈数平面度测量2.实验步骤： 参考图3.1和3.2，1）移开成像物镜G15和测微目镜G11，旋转调整左右螺旋8，使平板绕水平面的横轴或纵轴微小摆动，出瞳S2绕S1转动直到S2和S1接近重合。2）装上成像物镜G15和测微目镜G11，继续旋转调整左右螺旋8，直到G11视场中干涉条纹清楚。3）测量e和H，计算平面度和粗糙度。实验数据起始位置（格数）He对准位置（格）距离（mm）对准位置（格）距离（mm）80.5116.00.356135.00.5453.540.00

6、.36554.50.51091.5124.00.325141.50.50010.042.00.32058.00.48069.099.00.300114.00.450数据处理：局部误差：面形误差：实验小结 通过本次实验，熟悉了激光干涉仪的基本原理机器结构，掌握了利用其测量面形误差的方法。实验三 原子力显微镜一、实验目的 了解AFM的基本使用方法二、实验流程1.样品清洗2.开机3.水平调节和偏差调节4.手动下针5.自动下针6.关机 1.样品清洗一般情况下，根据材料的不同进行不同的处理方式。目的都是为了去除表面的污染物，使表面洁净。对于半导体材料，根据材料的不同采取以不同的腐蚀液进行洗片。一般步骤为

7、：1. 用去离子水做初步清洗；2. 放入腐蚀液中浸泡并用超声波清洗一段时间（时间视材料不同自定）；3. 用去离子水洗掉材料表面残留腐蚀液；4. 用N2进行吹干；5. 吹干后放入干净样片袋中暂时保存并准备测试；工作原理如下图所示： 探针形貌 1. 开机1. 开启设备电脑开关及双屏显示器；2. 开启显微镜光源；3. 开启光学显微镜 CRT 显示器电源；4. 将设备主部隔尘罩小心地取下，将显微镜调整至设备主机方向，光斑打到载物台中心处；5. 打开设备主机电源，在主机controller 的控制板上，确认AFM 模式；6. 打开pc中的 软件，激活软件与设备主机连接图标；1.1. 水平调节 水平调节完

8、后拧松探针固定旋钮，倾斜着取下 AFM 针夹具，倒置轻放在滤纸上，放于衣袖碰触不到的地方，以免碰伤悬臂； 放样品，样片粘于专用样品台片上，用镊子夹好样片轻推到样品台上（注意：样品台片与底座是磁铁，有一定吸引力，要小心放置）； 放好样片后，调节显微镜，观察CRT使显微镜聚焦到样片表面。 用镊子直接调整样品位置，在CRT上观察确定样品测试点位于下针位置附近； 3.2偏差设定 1.放置 AFM 测试夹具，一定要小心，注意观察悬臂与样品表面的距离，若相距太近，则将测试夹具小心取出，放置妥当后， 使用手动抬针方法将三个支柱抬高，同时保证三支柱设备光路台面水平； 2.高度调节到安全距离以后，小心地放入AF

9、M 针测试夹具，用肉眼结合CRT 上观察确定样品与针的保持一段距离，调节显微镜使其聚焦到探针； 3.拧紧夹具固定旋钮来固定夹具，此时主机显示屏上，标定激光器电压的SUM 值为（6.77.3)左右则正常。先调节垂直偏差旋钮使垂直偏差（Vert）读数接近0.0V，再调节水平偏差旋钮使探测器的水平偏差值（Horiz）接近0.0V。若第一次不能保证同时为0，则重复调节保证两个值在0.0V附近； 4.手动下针 开始手动下针，先轻扒微调钮进行DOWN操作，同时顺时针（由下往上看）旋转如上图标注的两旋钮，并且调节显微镜聚焦到探针，如此反复多次调节。注意每操作一次后观察光学显微镜CRT保证探针没有接触样片（观

10、察方法：使显微镜聚焦到探针，若调节显微镜可迅速得到清晰样片的像，表明探针和样片距离很近）； 当样品表面与悬臂焦距接近时，调节使此时的水平偏差值（HORZ）和垂直偏差值(VERT)分别至0V 和（-0.6-0.8） 5.软件自动下针扫描在软件中设置当前样品需要的扫描范围（scan size)，台阶高度(date scale)，扫描速度(scan rate)等参数； 台阶高度不可超多1m，扫描速度设置在5m/s 以内为宜；（即scan sizescan rate 5） 单击启动软件中自动下针控件，下针过程中注意观察主机中的水平偏差值（Horiz）和垂直偏差（Vert），示值趋势是减小的为正常； 若

11、要移动扫描区域，下针完成后，将扫描频率调低（即降低扫描速度），设置X 轴与Y轴的offset 值（offset 范围不得超过70m），确定扫描位置和范围后，重新开始从上往下或从下往上扫描，并拍取图象。 测试5*5um的形貌 1.设置scan size 5um(1:1), 设置 scan rate 0.1Hz, 设置Date scale 100nm(观察样品表面形貌觉得，粗糙则设大点） 2.点击下针 设置 scan rate 0.3Hz,点击 再设置 scan rate 0.5Hz，观察波形范围在调节最佳的Date scale 3.最大设置 scan rate 0.7Hz， 点击 进行切换到扫描

12、界面， 点击 由上到下进行扫描， 点击 进行实时保存， 扫完后点击 抬针。6.关机 关闭激光器； 关闭设备主控电源； 关闭光学显微镜 CRT 电源、光源； 将光学显微镜置于原本所在方向，盖上物镜盖； 将主机隔尘罩小心的罩于主机上； 关闭计算机电源及双屏显示器电源。实验四 光电直读光谱仪实验一、 实验目的1. 掌握光栅式光谱仪分光的基本原理。2. 熟悉光电直读光谱仪光电系统和机械结构。3. 掌握光电直读光谱仪的基本光谱实验。二、 基本原理1. 平面衍射光栅的分光原理光栅方程式如图5.1所示，当一束平行的复合光入射到光栅上，光栅能将它按波长在空间分解为光谱，这是由于多缝衍射和干涉的结果。光栅产生的

13、光谱，其谱线的位置是由多缝衍射图样中的主极大条件决定的。相邻两刻线对应的光线22和光线11的光程差为： （1）相干光束干涉极大值的条件为： （2）入射与出射光在光栅法线同侧取”+”号，在异侧取”-”号。 由式（1）和（2）可得相邻两光线干涉极大值的条件-光栅方程为： （3）式中 -入射角 -衍射角 -刻痕间距，通常称为光栅常数 -光谱级次， （3）式可改写为： （4）2. 光栅式单色仪光学系统切尔尼-特纳系统光学系统原理图光栅中心位于入射光线与出射光线的对称轴上，两个球面反射镜的焦距均为300mm，入射与出射狭缝位于球面镜的焦面。平面反光镜作为折光镜将出射光线折转90，以使出缝与入缝90的垂直

14、分布，可以避免因为光源与光电接收器距离过劲=近而互相干扰。复色光源经入射狭缝照明在球面镜（一）上，此镜将平行光投射到光栅上，光栅将复色光衍射分光，分成不同波长的平行光束以不同的衍射角投向球面镜（二）上，此镜将接收的平行光束聚焦在出缝处，从而得到一系列按波长排列的光谱。透过出缝射出的光束只是光谱宽度很窄的一束单色光。扫描机构运行时，光栅随之旋转，这样就可以得到所选择的单色光。光路中的光阑和挡光板起限制视场外多余光束的作用，以利于减少仪器的杂散光。3. CCD作探测器的光电直读光谱仪如图所示光谱仪结构图2. 入射狭缝及调焦筒 2.平面反射镜3.光栅旋转手轮 4.波长计数器5.球面反射镜（一） 6.

15、球面反射镜（二）7.CCD探测器 8.调焦螺母9调焦筒紧固螺钉线 10.滤光片（CB550）主要参数及技术指标波段范围：330-1100nm焦距： 180mm平面光栅：300线/mm；闪耀波长:500nm 600线/mm；闪耀波长:500nm 1200线/mm；闪耀波长:500nm相对孔径：D/f=1/3.8三、 实验内容1. 分析光栅式光电直读光谱仪基本光学系统，绘制光路图和机构图，记录基本参数。2. 了解编VC+采集软件，及计算机界面设计。3. 用CCD探测器的光电直读光谱仪进行光源光谱采集。4. 用光电池做探测器的光电直读光谱仪进行光源采集。四、 实验步骤 进行汞灯光谱实验 开启汞灯高压

16、电源，调整聚焦透镜使光源像聚焦到调整光谱仪输入狭缝，调整狭缝大小（大约0.5mm）使输出电压在合适范围内；用VC+采集汞灯光谱曲线。用数据文件记录光谱曲线，根据光谱曲线确定汞灯峰值波长。 由上图可知汞灯光源在可见光段较为平坦，在此段中光功率分布均匀。实验小结 本次实验使用光电直读光谱仪测量了数种光源的光谱，掌握了常见光源的光谱特性和光电直读光谱仪的结构和操作方法，达到了实验目的。实验五 光谱法物质成分分析实验一、 实验目的1. 熟悉用光电倍增管作传感器的光电直读光谱仪的基本结构和光学系统。2. 掌握光电直读光谱仪的基本光谱实验。3. 了解光电倍增管传感器的前置放大电路，单片机A/D转换程序，以

17、及串行通讯电路。4. 熟悉分光光度计基本原理。5. 掌握吸收光谱法检测物质浓度。二、 基本原理1. 平面衍射光栅分光原理2. 光电倍增管式光电直读光谱仪（1） 原理图光电直读光谱仪（2） 主要技术参数 波长范围 （可扩展为） 光栅 平面光栅 ，刻线面积， 闪耀波长 （可按用户要求选配其他规格的光栅） 波长准确度 波长重复性 焦距 相对孔径 分辨率 （光栅） 线色散倒数 （） 杂散光 （He-Ne激光器，在处测定） 狭缝 宽度 连续可调整，高度共分五档 外形尺寸 长*宽*高 （主机） （控制器）3. 分光光度计如图所示，分光光度计是in性物质荧光光谱光强研究或物质分子吸收光谱的研究。主要由光源（

18、氘灯D、钨灯W），发射单色器（光栅C、球面发射镜、）、调制盘CH、光电倍增管B、试样池及组成。分光光度计光学系统分光光度计实物图 为了实现线性化测量，光栅光谱仪中设计了正弦机构。如图所示光栅垂直定位于一个转盘上，光栅、转盘以及摇杆（正弦杆）连接成一体形成一个构件，摇杆和丝杆组成正弦机构。扫描机构原理图分光光度计扫描机构（1） 透过率测试原理：让进行波长扫描（保持同样的波长接收），可得试样在不同波长下的透过率曲线其中：为透过试样的光强（探测器接收），为入射光强（探测器接收），为透过率。（2） 吸收光谱测量原理：吸收光谱反映了物质本质特性，特定的气体、液体物质有特定的吸收光谱。吸收度的定义为：和的

19、定义同上。用分光光度计测得和，自动计算可得吸收光度曲线，它就反映了物质的吸收光谱。（3） 分光光度法检测溶液浓度-朗伯比尔定律：式中为溶液浓度，、和的定义同上，为常数，它与入射光波长以及溶液的性质、液层厚度和温度有关，为溶液厚度。 分光光度计可测得溶液浓度，用相对法 已知标准溶液浓度，再测得、就可算得。三、 实验内容2. 分析光栅式光电直读光谱仪基本光学系统，绘制光路图和机构图，记录基本参数（焦距、主要尺寸）。3. 了解VC+采集软件，以及计算机界面设计，包括：对话框、光谱曲线显示。4. 用双光束紫外可见分光光度计进行高锰酸钾溶液浓度测定。1） 吸收光谱法检测高锰酸钾溶液浓度。 首先配置已知浓

20、度的高锰酸钾溶液，再配置另一浓度的高锰酸钾溶液，用分光光度计获得高锰酸钾溶液的吸收度曲线，以确定最大吸光度的波长值（绘制下图）。在波长处进行溶液浓度相对测量法 。如图所示为低浓度高锰酸钾溶液的吸光度曲线图如图所示为高浓度高锰酸钾溶液的吸光度曲线图以上两图可以看出，高浓度高锰酸钾溶液的吸光度约为低浓度的2倍。选取400nm波长作为参考点，高浓度高锰酸钾溶液吸光度约为0.25，而低浓度溶液的吸光度约为0.125，由A1/A2=C1/C2，可以计算出高浓度高锰酸钾溶液的浓度约为低浓度的2倍，与实际相符合。如图为塑料片的透过率曲线 实验小结 本实验验证了通过吸收光谱测量溶液浓度的原理，并成功检测了两种

21、高锰酸钾溶液的浓度因子，测定了塑料片的透过率曲线，基本掌握了吸收光谱法检测物质浓度和光电直读光谱仪的使用方法。光电信息实验（一）学生姓名：代中雄专业班级：光电1001学生学号：U201013351指导老师：陈晶田&黄鹰实验一 光电透过率测量实验一、实验目的 1. 学习典型光电系统的设计方法2. 理解激光透过率测量的原理3. 设计激光透过率测量系统的各部分电路二、实验原理 透过率的测量是光学测量的一项重要内容， 在物质结构分析、 物体的化学性质、 生物医学等领域得到了广泛的应用。 一般情况下， 辐射源的辐射要受到中介媒质 （大气， 光学系统元件等） 的吸收，辐射等，只有一部分辐射功率透过媒质，

22、最后被探测器接受。 当以平行辐射束在媒质中传播时， 若媒质有吸收，则在传播一段距离之后，在垂直于传播方向单位面积上的辐射能通量将减少。 实验证明，对于在均匀吸收媒质，如果不考虑散射时，被吸收的辐射能通量的相对值m 距离时， 辐射能通量就衰减为原来值得1/ e 。 除去吸收外， 散射也是辐射衰减原因之一。 设有一辐射能通量为f 的平行辐射束， 入射到包含许多微粒质点的非均匀媒质上， 由于媒质内微粒的散射而衰减的相对值 / dff 与通过的距离 dx 成正比，即： 将上式从 0 到 x 积分，得到在 x 处的辐射能通量： 该式称为散射定律，式中 (0) f 为在 x=0 处的辐射功率，m 为散射系

23、数，与吸收情况相似，媒质散射也是辐射能通量按指数规律衰减。 如果传播媒质中同时存在吸收和散射，则辐射能通量为f 的入射辐射在传播 x 距离之后，透过的辐射能通量为： 上式称为比尔朗伯定律。式中，激光透过媒质后的光强与透过前的光强的比值称为透过率。 又称透射率或透射系数。如前所述，其计算公式为： 三、系统组成框图与说明1.系统框图 激光透过率测量系统得原理框图如下：由经过调制的激光器发出的一定波长的激光经过介质后衰减，光强减小，分别测量出激光通过介质前后的光强， 即可测出激光通过此介质的透过率。 光电传感器将入射的光信号转变成电信号，经信号处理电路，如 IV 转换电路、滤波电路、积分电路，将交流

24、信号变成直流信号， 该直流信号的大小与入射到光电传感器上的光信号的强度成正比， 通过测量该直流电流的大小即可测量出激光通过介质的透过率。 1. 各部分电路说明 驱动与调制电路：为满足半导体激光器对驱动信号的频率要求，可以设计一个可调谐的方波发生器。方波发生频率从 32KHZ 到 125HZ.。方波发生器实际上是由以 NE 555 为核心的组成。 555 时基电路和 R16、R13、C12 等组成一个无稳态多谐振荡器，它的振荡频率此多谐振荡器产生的波形是具有一定占空比的方波，其中 将原理图中的参数带入公式可计算出从 555 产生的方波信号频率为 32KHZ.。参考电路如下： 本实验中，半导体激光

25、器的调制频率采用 1KHz。 光电传感 I/V 转换电路： 光电传感器采用光电池， 由于光电池采用无偏置电路， 输出信号为电流，所以后续的电路采用低噪声、低偏置电流放大器 CA3140 设计了如图 3 所示的 I/V 转换电路。由电路的虚短与虚断特性计算可知： 带通滤波电路: 本方案设计一个 2 阶压控电压源带通滤波器，要求中心频率 f=1khz,增益Av =2，品质因数 Q=10，原理图如图所示。带通滤波器的性能参数：积分电路：积分电路的作用是将输入的交流信号变成直流信号，可以采用 AD536A 芯片。AD536A 能够计算直流和交流信号的真有效值。在工作时，如果输入的是幅值缓慢变化的直流信

26、号，则它可以进行精确的转换。当输入直流信号的幅值变化较快时，由于直流误差(平均误差)和纹波误差的存在，AD536A 的实际输出值将与理想的输出值略有差异。 当采用如图 5 所示的两极滤波电路时， 在不增加稳定时间的情况下， 可更有效地减小纹波。 对于恒定的纹波， 可以通过减小 C6、C4 和 C5 的值来进一步缩短稳定时间。 由于直流误差与滤波器无关，而仅与 C6 有关，所以在选择 C6 时，只要考虑其直流误差即可。经过 AD536 后输出的是直流信号，与入射到光电传感器上的光信号的强度成正比。 三、实验内容 理解光电法测量介质透过率的原理与方法， 按上述要求熟悉各集成电路的原理与应用方法，

27、实验内容： 1、 实验背景介绍和整体演示； 2、 学生自己动手调节光路，电路不作设计由已经有的模块来完成，记录不同波片的透过率。 实验数据标准样品0.90.790.50.320.1电压（mV）888.9840527359123透过率0.88890.840.5270.3590.123 载物台上无样品时，V0=110mV测出 T1=0.8889 T2=0.84 T3=0.527 T4=0.359 T5=0.123误差分析相对误差可能误差原因：1.电阻阻值与标称值不相符；2.探测器受外界扰动；3.探测器的灵敏度有限。 实验小结 本次实验通过测量并计算样品的光谱透过率，了解了光电探测系统的基本组成，掌

28、握了透过率的测量原理及方法，并且基本完成了测量任务。实验二 摄像机原理实验一、实验目的 1 理解摄像机的工作原理2 掌握视频信号的构成3 设计简单的叠加图形二、电视摄像原理 一幅图像，根据人眼对细节分辨力有限的视觉特性，总可以看成是由许多小单元组成。在图像处理系统中， 这些组成画面的的细小单元称为象素， 象素越小， 单位面积上的象素数目就越多，由其构成的图像就越清晰。 电视系统中， 把构成一幅图像的各象素传送一遍称为一个帧处理， 图像的每帧由许多象素转变成相应的电信号， 再分别用各个相应信道把这些信号同时传送出去， 接受端接收后又同时进行转换， 恢复出原发射的信号。 1.电视扫描 只有对一幅图

29、象进行分解和同步扫描之后，才可能对这幅图象进行传递和再现。因此，一个完整的电视信号不但应有反映象素亮度的视频信号还应有保证与摄象管内电子束进行同步扫描的复合同步信号，以及在扫描逆程时关闭电子束的复合消隐信号！ 根据人眼的生理特点，在不产生亮度闪烁感和保证有足够的清晰度的情况下，扫描频率应该在 48Hz 以上， 扫描行数须在 500 以上，为了使图象清晰度不下降，又要减小系统的带宽， 人们又提出了隔行扫描技术！隔行扫描方式是将一帧（一幅）电视图象分成两场进行扫描。第一场扫出光栅的第 1，3，5，7等奇数行，称为奇数场；第二场扫第 2，4，6，8等偶数行，称为偶数场。每一帧图象经过两场扫描，所有象

30、素即可扫完，电视电子束的扫描轨迹也称为扫描光栅，如上图所示。下图所示为行扫描电流波形及水平(行)扫描示意图。场扫描锯齿电流及场偏转轨迹如上图所示 2.亮度视频信号 视频输出的电压大小， 反映了一行中对应象素的明暗程度， 视频信号具有正负极性之分，对于正极性视频信号， 象素越亮信号的幅度越大， 而对于负极性视频信号则相反， 象素越亮，信号的幅度越小！ 3.复合消隐信号 电视系统中扫描正程期间传送图像信号，逆程期间不传送图像信号。电子束逆程扫描在荧光屏上出现回扫线， 将对正程的图像造成干扰， 影响图像的清晰度。 因此需使电视机在行、场扫描逆程期间电子束截止，以消除行、场逆程回扫线，即实现消隐。行消

31、隐脉冲的宽度一般为 12us,场消隐脉冲宽度一般为 25TH，如下图： 4.复合同步信号 在电视系统中 为了使电视机重现的图像与摄像机拍摄的图像完全一致， 要求接收端与发送端的电子束扫描必须同步。如果收、发端扫描不同步，则重现的图像变形或不稳定，严重时图像混乱不能正常收看。完整的同步信号如下： 视频同步信号同步脉冲叠加在消隐脉冲之上，亮度视频信号则是插在相连的消隐脉冲之间。5.开槽脉冲 从上述说明中， 我们可以看到场同步信号的宽度远比行同步的要宽的多， 同时要比行周期还要宽， 这对于接受方获取同步信号是很不利的。因此， 为了解决这个问题， 作到准确同步， 我们将场同步信号开槽， 信号形成一系列

32、的锯齿形状。 这些锯齿脉冲中也包含有行同步信号，称为“开槽脉冲”。6.均衡脉冲 另外， 电视视频信号中的行场同步信号的提取是不同。 行同步信号是幅度比较法获得的，通过限幅电路来获得同步； 我们看到， 场同步信号脉宽比行的要大的多， 因此通过对符合同步信号进行积分后，用比较电路就可以获得场同步信号。 为了保证奇偶场的场同步积分后波形相同，在场间又引入均衡脉冲！ 三、电视信号图象叠加原理视频信号及时间叠加是视频信号中混入一定形状的图形或时间信号， 从而在屏幕的特定位置上与图象信号同时进行显示的设备。 本实验是要在视频信号中叠加一个十字线， 其基本原理如下： 首先提取视频信号中行场同步信号， 然后对

33、行、 场同步信号进行计数， 产生一个与行场同步信号有稳定关系的控制信号， 用这个控制信号控制模拟开关， 模拟开关的输出就在 2 路输入信号 （十字线与视频信号） 间的快速切换， 由于人眼视觉的暂留效应， 在显示器屏幕上看起来就是一幅叠加了十字线的图像！ 下面是电视信号叠加图像的原理框图： 普通摄像头输出的是复合视频信号，因而首先必须进行分离。 1、视频信号同步分离电路（1）、LM1881 芯片简介 为了使用方便， 我们使用集成视频信号同步分离电路 LM1881， 下面简单说明 LM1881 的功能。 LM1881 视频信号同步分离器能够从幅度为 0.5V 到 2V 的标准负同步 NTSC、PA

34、L 和 SECA信号中提取定时信号，包括混合和场的同步脉冲定时和奇偶场信息。LM1881 的工作原理如下图：LM1881 的使用十分方面，只需要直流 5V 到 12V 的单电源提供电压，在使用的过程中，除了在 8 脚用电容耦合电源和在 6 脚用耦合电容设置电流外， 只仅仅需要在 2 脚耦合信号输入耦合一个电容和在 6 脚设置一个电阻， 他们是用来确定内部电流的； 如果输入信号扫描频率不是 15.734kHz，那么通过调节 6 脚可以保证 LM1881 器件能够使用。从该芯片中我们可以得到四种主要的同步信号： 混合同步信号 （包括场行扫描时间信息）， 场同步脉冲， 冲激或钳位脉冲和奇偶输出。 实

35、验仪器电路板中使用集成芯片 LM1881 分离出行场同步信号的电路如下： LM1881 构成的行场分离电路其中：hs 表示复合同步输出vs 表示场同步输出EVEN/ODD 表示奇偶场同步输出2、控制电路 控制电路的功能是要计算出叠加图像的场、行位置值。实际上使用计数器就可以实现。本实验仪使用大规模可编程逻辑电路 EPM7128SLC84 来实现对 hs、vs 信号的计数。 3、叠加图形 模拟开关工作原理示意图： 假设模拟开关有二路输入信号 VideoIn 1、VideoIn 2， 当选择信号 VideoSe 为高电平时，模拟开关输出为 VideoIn 1，当 VideoSe 为低电平时，模拟开

36、关输出为 VideoIn 2。一、 实验内容（1） 用示波器观察复合视频信号的波形。（2） 用示波器观察场同步、行同步信号的波形并画出这两个波形图。（3） 按动S1S5，观察实验现象。（4）在实验仪的面包板上，用中小规模集成电路实现在监视屏幕上任一位置的叠加一横线或竖线。具体实现过程：用两片74HC161通过并行方式组成一个256进制计数器，用此计数器对hs信号进行计数，计数器的进位输出与CD4053的第10脚相连，通过控制CD4053的输出在原图像和横线的快速切换，就可以在显示器上叠加一条横线的图像。实验小结 通过观察实验现象，我充分的理解了摄像机的工作原理和视频信号的组成。掌握了视频信号中

37、叠加图像，文字的原理和方法。并在视频信号中叠加了时间和日期，十字线等图像，基本完成实验目标。实验三 光谱透过率测试实验一、实验目的（1）了解单色仪结构、原理和使用方法；进一步了解锁定放大器的工作原理以及其使用方法。（2）掌握单色仪的定标方法及用单色仪测定滤光片光谱透过滤的方法。深入理解微弱信号检测的原理。（3）学会设计检测试样的光谱透过率的方法。二、实验原理1. 单色仪工作原理光栅单色仪的光路结构如图1所示，入射到光栅单色仪的自然光或复色光，经入射狭缝S1后投射到球面反射镜M1上。S1处于M1的聚焦面上。因此反射光为平行光束。这束平行光束经闪耀光栅G分光后，分成不同波长的平行光束以不同的衍射角

38、投向球面反射经M2。球面镜M2起照相物镜的作用，这些平行光束经过M2、M3反射后成像在他的聚焦面上，从而得到一系列的光谱。出射狭缝位于球面镜M2的聚焦面上。根据它开启的宽度大小，允许波长间隔非常狭窄的一部分光束射出狭缝S2。图1 WDG30型光栅单色仪原理图当旋转转轮带动光栅旋转时，可以在狭缝S2处得到光谱纯度高的不同波长的单色光束。这样单色仪就起到了将入射的复色光分解成一系列独立的单色光的作用。使用单色仪时首先要用标准光源对单色仪的读数进行校准，本实验光源采用的是高压汞灯，它有404.7nm、407.8nm、435.8nm、546.1nm、577nm、579.1nm几条特征谱线，根据这些谱线

39、可以对单色仪的读数进行校准。2. 锁定放大器工作原理本实验选用南京大学生产的HB-211型精密双相锁定放大器，它是一种新型正交锁定放大器，能精确地测量被淹没在嗓声、干扰背景中的微弱信号。该锁定放大器采用了多点信号平均和相敏检波联合使用的技术，完成对被测信号同相分量和正交分量的检测。并具有动态范围大、漂移小等特点。仪器原理框图如图2所示，主要包括以下几大部分：输入信号部分、参考信号部分、信号处理部分、单片机功能控制及测量值显示PC机接口部分、电源及其它部分。图2 HB-211型精密双相锁定放大器原理框图（1）输入信号通道输入信号通道由低噪声前置放大器，量程控制放大器，高通、低通滤波器三部分组成。

40、高通、低通滤波器，是由运算放大器和R,C组成的二阶高通、低通滤波器，原理图如图3所示。由高通、低通滤波器组成带通滤波器，根据待测信号的频率选择高通、低通滤波器的载止频率，组成以待测信号频率为中心的带通特性，抑制干扰，提高仪器的过载能力和动态范围。高通、低通滤波器通截止频率可调。组成的滤波器只能放大被测信号及其频率附近带宽内的噪声，使远离信号频率的噪声或干扰被抑制，达到减小干扰或解除过载的目的。图3 高通、低通滤波器原理图（2）参考信号通道锁定放大器是利用相关接收原理，从噪声或干扰背景中检测微弱信号，因此，他必须要有一个参考信号通道。参考通道的作用是将外部输入的参考信号(同步信号)，加工成信号处

41、理部分要求的同频方波。经锁相环和分频器组成的倍频电路。对输入信号进行倍频(2f工作模式)或不倍频(f工作模式)。f,2f工作模式根据测量要求，由单片机控制。f,2f电路的输出去触发宽带相移电路。相移量0,90,180,270由单片机控制，调节面板旋转能产生0100的相移量，此相移器调节的相移量是移动方波的上升沿，用此上升沿去触发由锁相环构成的倍频和分频电路。（3）信号处理部分信号处理部分是本仪器的核心，对信号进行多点平均和相关处理，从而能达到从噪声或干扰背景中检测信号，信号处理部分的原理框图如图4所示。图4 信号处理部分原理框图由信号通道输出的信号，设为,为输入信号的振幅，为相对于参考信号的相

42、位差。此信号经由参考信号通道输出的f,2f方波控制的四点平均器进行信号平均。多点信号平均器相当于一个带通放大器，带通的中心频率由参考方波的频率决定，当参考信号频率发生变化时，此带通放大器的中心频率也随着变化。因此，多点信号平均器相当于一个跟踪滤波器，能抑制干扰和噪声。本仪器采用的多点信号平均器是由一个电阻和四个由开关控制的电容器组成，在一个周期内四个开关轮流接通，即每一个电阻电容组成的积分器在四分之一的周期内对信号进行积分。把与参考信号(触发开关的同步信号)同频率的正弦波在四个电容器上积分，在电容上的稳态电压分别为:式中为放大倍数，为输入信号的幅值，为输入信号相对于参考信号的相位差。多点信号平

43、均器的输出信号,通过放大后，与参考信号的调相方波进行相敏检波，相敏检波器是开关式的相敏检波器，对于控制开关的同频信号相对于的相位差分别为0、90、180、270的输出波形对应的直流分量分别是: 、。是放大倍数。相敏检波器的开关同步信号是参考信号输出的调相方波。与的相位差分别为0、90、180、270四个频率为1024Hz的周期依次改变，每一种相位占四分之一周期，因此，相敏检波器的同步开关用控制，输出信号通过低通滤波和放大后，在多点信号平均器中进行同步积累，由于模拟多点信号平均器的同步开关信号与调相同步开关是同一个1024Hz的信号控制的，能保证严格同步。如图4所示。多点信号平均器的输出波形，多

44、点信号平均器内四个电容上轮流输出的电压分别为、。其中K为总放大倍数。这波形中包含了被测信号的同相分量和正交分量。（4）同相、正交分量测量电路被测信号用直角坐标分量表示，就需测量出同相分量和正交分量信号平均器的输出信号，通过两个电位器进行分压后，分成两路，分别输给同相分量通道和正交分量通道的相敏检波器(PSD)，两通道的电路完全一样，由相敏检波器(PSD)和低通滤波器组成，所不同的正交PSD只响应多点信号平均器输出波形中的电压，同相PSD只响应电压。通过低通滤波器后，最后的输出的直流电压为：同相分量，正交分量，很显然，这两个量是相敏的，可以作为矢量电压表使用，或任何一路都可以作为单通道锁定放大器使用。上述两通道的低通滤波器的时间常数，通过单片机控制。本仪器的测量显示是由A/D变换及单片机处理后。在液晶屏上同时显示，两分量。三、实验仪器锁定放大器、光栅单色仪、溴灯、斩光器、高压汞灯、会聚透镜、滤光片等。锁定放大器的使用1.信号输入2.接地端子3.时间常数的选择4.参考模式f，2f的使用5.直角坐标分量,和极坐标,的测量。四、 实验内容及步骤1.实验内容主要包扩单色仪的定标和光谱特性的测