下图的电路为 电路的实验电路图。 [图]...

下图是基本放大电路研究实验中测量输入和输出电阻的实验电路，下列公式正确的有（a）（b）（c）（d）

A、（a）

B、（b）

C、（c）

D、（d）

  实验目的

  通过对光伏型与可变电阻型器件的变换电路的测试实验，充分掌据光电检测器件输入电路的各种变换型式，以便根据不同的用途选用不同的电路型式。

  实验内容

  (1)光伏型器件——硅光电池变换电路(即输入电路)实验。

  (2)光电导型(可变电阻型)器件——光敏电阻变换电路(即输入电路)实验。

  实验仪器与器材

  (1)直流稳压电源

  (2)万用表

  (3)照度计

  (4)硅光电池与光敏电阻各1只

  (5)晶体二、三极管和电阻电容元件若干

  实验基本原理

  1．光伏型光电检测电路

  (1)电路变换型式

  对于光伏器件，输入电路的基本型式主要有三种，如下图所示。在图(a)中，光伏器件直接和负载电阻连接，这种电路称作无偏置电路；在图(b)的电路中，负载电阻上除串联光伏器件外尚有与器件端电压相反方向的偏置电源，组成反向偏置电路；图(c)是作为能量变换器使用的太阳能电池充电电路。通常光电池多采用图(a)和(c)的电路，光电二极管多采用图(b)的电路。

  (2)无偏置电路

  下图给出了无偏置光电池输入电路的等效电路(图a)及其计算图解(图b)。对图(a)的回路，可建立的电路方程为

  U=IR_L

  其中

    (15-1)

  利用图解计算法，对给定的输入光通量Φ₀，只要选定负载电阻R_L，工作点Q，即可由负载线与光电池相应的伏安曲线的交点确定电流与电压值。如该工作点点处的电流I_Q与电压U_Q即为R_L上的输出值。相对Φ₀的光通量增量±△Φ将形成对应的电流变化±△j和电压变化±△U。

  由于光电池特性的非线性，负载电阻的选择会影响光电池的输出信号。例如在下图(a)中，对应于光通量的增加量△Φ=Φ₁-Φ₂，在短路状态下(即R_L=0)，输出电流增量△I=I_sc1-I_sc2，输出电压为零。随着R_L的增大，输出电压随之增大，直到某一临界电阻R_M之后负载上的电压变成饱和，而输出电流逐渐变小，如图(b)所示。另一方面，输入光通量也影响输入电路的工作状态。由图(a)中可以看出，对确定的负载电阻如R_M，当输入光通量较小时，负载上的输出电流和电压近似地随入射光通量成正比例增加，而当入射光通量较大时，输出电流和电压逐渐呈现饱和状态。负载电阻愈大时，则情况愈明显(如图中R₂的情况)。

  可以利用式(15-1)定量地描述负载电阻和入射光通量对电路工作状态(I，U，P)的影响，即

    (15-2)

  (15-3)

  (15-4)

  根据上述公式，在同一入射光通量下，负载电阻对光电池输出电压、电流、功率的影响曲线表示在图(b)中。由图(b)中可见，根据所选负载电阻的数值可以把光电池的工作曲线分作四个区域，分别由图中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ表示，对应的四个工作状态为短路或线性电流放大、空载电压输出、线性电压放大和功率放大。下面讨论前三种工作状态。

  ①短路或线性电流放大

  这是一种电流变换状态。在这种状态下，后续电流放大级作为负载从光电池中吸取最大的输出电流。为此，要求负载电阻或后续放大电路输入阻抗尽可能小。由图(a)中可看到，由于R_L很小，输出电流接近于短路电流，它与光通量有良好的线性关系，即

   (15-5)

  和△I=S△Φ  (15-6)

  此外，在短路状态下，检测器件的噪声电流较低，从而改善了信噪比，所以最适用于弱光信号的检测。这种短路电流，随检测器件的受光面积的大小而改变。同一片光电池的短路电流随光电检测器件的受光面积成正比的变化曲线，如下图所示，图中A为受光面积。

  ②空载电压输出

  这是一种非线性电压变换状态。此时光电池应通过高输入阻抗变换器与后续放大电路连接，相当于输出开路。其开路电压可写成

  (15-7)

  式(15-7)表明，光电池的开路电压随入射光通量增大按对数规律增大，并且由于I_p与光电池面积成正比，所以同一光电池的开路电压与光电池光敏面受光面积的对数成正比，如上图所示。必须指出的是，开路电压并不是会无限增大，它的最大值受结势垒高度的限制。通常，光电池的开路电压为0.45～0.6V，因此它的一个优点是，在入射光强从零到某一定值作跳跃变化的光电开关等应用中，可简单地利用U_oc的电压变化而不需加任何偏置电源，即可组成控制电路。此外，由伏安特性可以看到对于较小的入射光通量，开路电压输出变化较大，这对弱光信号的检测特别有利。但光电池开路电压与入射光功率呈非线性关系，同时受温度影响较大，其频率特性也不理想，如果希望得到大的电压输出，则不如采用光电二极管或光电三极管等。

  ③线性电压输出

  从负载电阻对光电池输出电压电流和功率的影像图(b)中的第Ⅲ区域可见，这种工作状态在串联的负载电阻上能得到与输入光通量近似成正比的信号电压，且负载电阻增大有助于提高输出电压。但当负载电阻增大到一定临界值时，输出信号开始发生非线性畸变。为了确定负载电阻的临界条件，我们将式(15-2)展开成幂级数形式为

  当时，忽略高阶项，上式可简化为

  由于，所以只要满足条件

  就可以得到输出电流和输入光功率的线性关系

  I=SΦ(15-8)

  令最大线性允许光电流为I_M，相应的光通量为Φ_M，则可得到输出最大线性电压的临界负载电阻R_M为

  对应于Φ_max±△Φ的输入光功率变化，负载上的电压信号变化为

  (15-9)

  在线性关系要求不高的情况下，可以利用图解法简单地得到临界电阻R_M的值。如下图所示，在电压轴上作临界电压U_M=0.7U_oc的垂直线，与对应的伏安曲线相交于M点，这样也可以得到临界电阻的负载线。由于临界电阻R_M上的电压U_M为

  U_M≈R_MI_M≈0.7U_oc

  所以，R_M可近似计算为

  (15-10)

  式中，U_oc是对应Φ_max时的值，倍数0.7是经验数据。对应的输出电压变化为

  (15-11)

  2．可变电阻型光电检测电路

  下图给出了阻值随输入光通量改变的光敏电阻的伏安特性，它是一组以输入光功率为参量的通过原点的直线簇。由图中可以看出，在一定范围内光敏电阻的阻值不随外电压改变，仅取决于输入光通量Φ或光照度E，并有

  式中，G是亮电导，G_p是光电导，G_d是暗电导。

  阻值随温度改变的热敏电阻也属于可变电阻型器件，其电阻值表达式为

  R_T=R₀(1+α_T)

  式中，R_T为温度T时的电阻，R₀为温度T=0时的电阻，α为电阻温度系数，T为温度。当温度变化△T时，电阻的变化量△R_T为

  △R_T=R₀α△T

  (1)简单输入电路

  图(a)是最简单的光敏电阻输入电路，电路的图解计算法表示在图(b)中。由于是线性电路，所以其图解计算比较简单，在建立负载线之后，即可确定对应于输入光通量Φ₁～Φ₃变化的负载电阻上的输出信号。

  电路的工作状态也可以用解析法按线性电路规律计算，由图(a)有

    (15-12)

  (15-13)

  当输入光通量变化时，光敏电阻阻值变化△R，从而引起负载电流变化△I，将式(15-12)对R求微分，可得

  由于G_p可以写成下列形式

  G_p=S_gE=SΦ

  所以

  故(15-14)

  (15-15)

  式(15-14)和(15-15)给出了，由于输入光通量的变化△Φ，引起的负载电流和电压的变化量。下面讨论两种典型的工作状态：

  ①恒流偏置

  当负载电阻比光敏电阻大得多，即R_LR的情况下，式(15-12)变成

  这时可以认为，负载电流与光敏电阻阻值无关，并近似保持常数，因而这种电路称为恒流偏置电路。同样道理，式(15-14)变成

  (15-16)

  式(15-16)表明，输出信号电流取决于光敏电阻和负载电阻的比值，与偏置电压成正比。此外，还可以证明恒流偏置的电压信噪比比较高，因此适用于高灵敏度测量，这是它的优点。但是，由于R_L很大，为使光敏电阻正常工作，其偏置电压则需要很高(达100V以上)，这给使用带来不便。通常，可用晶体管来实现恒流偏置，如下图所示。它利用晶体管在线性工作区时集一射极等效交流电阻很大，近似于恒流特性来实现偏置。显然，由于在电路中引入了晶体管及电阻等，将给检测电路引入额外的噪声。

  ②恒压偏置

  当负载电阻比光敏电阻小得多，即R_LR，则加在光敏电阻上的电压近似为电源电压U_b，与R无关。这种偏置称为恒压偏置。对于响应度要求不是太高，而探测器本身噪声又比较大时，一般都采用这种恒压偏置电路。这时，负载R_L上的信号电压由式(15-15)变成

  △U=SU_bR_L·△Φ  (15-17)

  式(15-17)表明，恒压偏置的输出信号与光敏电阻的阻值无关，仅取决于S△Φ即光电导的相对变化。这样，检测电路在更换光敏电阻时，对电路初始状态就影响不大。这就是这种恒压偏置电路的优点。

  (2)电桥输入电路

  为避免可变电阻型器件受环境温度的影响，通常采用如下图所示的电桥电路。以热敏电阻为例，选择性能相同的两个热敏电阻和作电桥测量臂的电阻；普通电阻作为补偿臂电阻，外加电源电压为U_b。在无外来辐射照射时，调节补偿电阻R₂，可使电桥平衡。此时

  R₂=R₁

  电桥输出信号为U₀=0。当有辐射作用于热敏电阻上时，温升△T引起电阻的改变为

  =R₀₁+△R

  式中，R0₀₁1为热敏电阻的暗电阻。此时电桥平衡破坏，开路电压U₀为

  在弱辐射作用下，有△RR₀₁+R₁，取R₁=R₂=R和R₀₁=R₀₂=R₀，其中R₀₂是的暗电阻。则上式可变为

  (15-18)

  由式(15-18)可见，输出电压U₀与热敏电阻变化量△R成正比例，并与负载电阻R有关。令

  则可计算出，当R=R₀时，U₀取最大值为

  (5-19)

实验一 2-4译码器 对初学者而言，组合电路的设计是我们入门数字电路的第一步，对初学者而言，我们有着丰富的课程案例与大家共享，下面就是一个2-4译码器的设计说明。 1、设计说明 如下图所示，当我们按下A、B或G键时，即启动了译码器的控制端。根据译码器的功能表可知，G键可控制译码器的工作，G按键弹起时：AB=00，D1灯亮；AB=01，D2灯亮；AB=10，D3灯亮；AB=11，D4灯亮。G按键按下时：译码器不工作。2-4译码器工作原理图 其中DECODE模块的功能是翻译AB的取值，但前提是我们不能使PROTEUS为我们提供的功能芯片---74LS139，而是自制此元件，如上图所示，下面我们给出设计过程。 1.1 设计流程 组合逻辑电路的设计就是在给定逻辑功能及要求的条件下，通过设计方法，得到满足功能要求的逻辑电路。 组合逻辑电路的设计流程如下图所示，首先我们需要绘制2-4译码器的真值表，其次我们需要根据真值表绘制卡诺图并化简，得到逻辑表达式，最终根据表达式绘制逻辑电路并进行仿真。 1.2 设计步骤 1）绘制真值表（参考真值表如下图所示：） 如要求绘制的表达式，首先写出其真值表 A B00 01 11 10 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 2）由此写出逻辑表达式：3) 据此，完成、、的表达式，并完成电路仿真。 2、设计步骤 1）首先，完成核心芯片DECODE模块的设计，实现2-4译码器的一般译码功能，如图所示：2 ）为DECODE模块加入外围电路，如按键和LED灯，如图所示：在完成上述设计后，你可能需要继续扩展本设计的功能，如3-8译码器及增加相应的使能控制，请努力试试吧！！ 2-4译码器属于组合电路中门电路设计的实验项目，该项目的完成要求具体如下： 1. 2-4译码器如使用集成电路74ls139实现，该项目的成绩无效，不计入总成绩。 2. 2-4译码器的输入端如果仅有A、B两个输入，没有芯片的使能控制En，只能计入总分的50%。 3. 译码器的实验报告需要包含真值表、表达式、逻辑电路的仿真效果图（可以包含多张）等，请将报告内容完整呈现。 4. 报告最后需加入本次实验的心得，字数不限，但切记雷同。 5. 报告请以“班级-学号-姓名”命名，以PDF格式上传至慕课平台。

实验六：点击竞速（Click Racer）1、设计说明 本周项目我们将使用已学习的数字逻辑电路知识来设计模拟传统“点击竞速”游戏，设计开发硬件版的“点击竞速”游戏。下图即为“点击竞速”原理性功能模块仿真图。 此电路原理图中，我们使用两个按钮开关（即电原理图中的BUTTON_1与BUTTON_2开关）来模拟传统“点击竞速”游戏中点击鼠标的动作，也就是当游戏开始时，参与比拼的甲乙双方同时开始快速单击按钮开关，此电路将会自动响应“按钮”动作，并实时记录与显示甲乙各自的单击次数，以及显示甲乙双方单击按钮平均速度的快慢状态（电路中使用三只LED彩灯指示，其颜色从左到右为红、绿、黄，依次对应于状态“甲小于乙”、“甲乙平均速度相等”、“甲大于乙”。游戏中，如果黄色LED灯亮，则表示此时甲的单击速度大于乙的）。图1 “点击竞速”功能模块仿真图 在这里，为何将其称之为“原理性”仿真图呢？有必要给大家说明一下。这主要是因为此仿真设计仅仅只是“点击竞速”项目游戏的设计实现方案之一，且其主要是为辅助阐述分析与设计实现的思路而服务； 其次，仿真仅是一种验证设计思路与设计的手段，倘若你有兴趣，想将其转化为实物作品，也许你需要在此电路原理图的基础上进一步完善。比如，思考一下，这里的按钮开关在模拟“单击鼠标”的过程中，是否存在一个“去抖”的问题？再比如，如何避免游戏未开始时甲乙双方的抢“点”动作？诸如此类问题，等等……（大家不要气馁呃，只有不断发现问题，不断思考解决问题，不断完善设计，你滴进步才会越来越明显，你滴信心才会越来越“膨胀”，最后你就会觉得介个东西其实还真是蛮有意思滴嘛！）； 再次，本设计方案仅仅只起到一个抛砖引玉的作用，也就是将传统“点击竞速”游戏的主要精髓抽象出来，采用硬件电路设计实现啦！你如果饶有兴趣，大可在此基础上进一步的扩展与完善设计，优化添加其他功能，提升游戏的趣味体验。 言归正传，万丈高楼平地起，这个简单而深刻的道理不用多说，想必大家都明白。不管你是要将其转化为实物呢，还是进一步滴优化设计，提升娱乐性，都需要先将上述这个简易的，基本版“点击竞速”游戏实现。下面我们将带领大家一起探讨本项目的设计思路。 为了解决这一问题，我们面对的问题就是如何抽象，把握“点击竞速”的主要功能。首先，点击竞速，顾名思义，“点击”是一个动作，有“按下”与“释放”两个状态，如何才能够使用硬件电路表征这两个状态呢？当我们回想数字逻辑时，很自然想到二进制码的“0”与“1”，即逻辑状态的“高”与“低”电平（此处假定以正逻辑为基础）。 其次，游戏既然是“竞速”，那么其硬件电路中必然需要包含能够分别完成“速”与“竞”的模块。“速”，即是电路必须具有能够记录点击次数的能力，同时结合时间量，即可实时表征点击的速度特征；而“竞”则需要电路中含有比较功能的模块，即能够实时地对比参与的甲乙双方谁的单位时间点击的平均速度大小。 下面我们分别简单讨论与提示一下各个具体功能模块的设计与实现思路：1.1 “点击”的实现 如上所述，对于“点击”动作状态的表征，我们可以采用“高”与“低”电平的逻辑状态去表示。也就是只要我们能够设计出一个按钮开关控制的单脉冲发生电路即可实现“点击”的动作。而对于这样的单脉冲电路的设计，方法很多。如比较简单粗糙的方法就是采用图1中所示的方法，如下：图2 单脉冲发生电路 当按钮弹起时，A端是高电平；当按钮闭合时，A端被短接，输出低电平。在这里，大家考虑对于按钮这类机械按钮是否存在一个“去抖”的问题？ 另外，对于单脉冲发生电路，能否结合我们上个学期在模电课程中学习到的电压比较器去设计实现，这样是不是会有较好的效果呢？这个问题留给大家独立思考啦！1.2 计数 提到计数，想必大家很容易地想到“这不就是使用计数器解决嘛！”。嗯，没错，是这样的。可现在问题来了，如何去应用？往常我们使用计数器都是对输入的时钟脉冲信号进行计数，而今我们现在需要对单脉冲发生电路产生的脉冲进行计数，这东西行吗？答案自然是肯定的啦！因为只不过是周期性脉冲信号和非周期脉冲信号的区别而已。 不知大家还记得否我们上周完成的项目，同步可逆三进制计数器？嗯，当时我们是使用触发器作为基本单元电路设计实现的，实现计数也是对每个单元触发器的输入时钟脉冲信号进行计数。何其简单的功能啊！今天我们将要设计实现能够记录一百个脉冲信号能力的计数器，大家想一想，如果我要使用触发器作为基本单元电路该如何去实现呢？电路复杂吗？呵呵，这个问题同样留给大家思考！可以尝试一下喔！ 通过课程的学习，大家都知道设计计数器除了可以使用触发器作为基本单元电路实现外，我们还可以使用集成计数器，而且使用集成计数器往往将使得设计变得更加简单方便。嗯，今天这个项目，我们鼓励大家使用集成计数器去实现喔。此时，也许你的脑海会飘过诸如74160，74161，74HC161，74HCT161，74LS190，74LS191，等等的集成计数器的影子（这里大家想一想74161，74HC161，74HCT161有没有区别呃？封装形式是否兼容呃？了解了解终归没有坏处！）。嗯，其实这些计数器中任何一种均可以用来解决我们今天的问题。但是，为了让大家通过模仿更容易解决，推荐大家使用74161，因为可以参阅教科书的！。图3 集成计数器 在这里，呃……，貌似还有很多问题向咱们涌来！这个集成芯片一块能够满足我们的计数需求吗？我们可是要设计百进制计数的哦，如果满足不了，我们该如何去解决？这时，脑海里有没有飘过“级联”啊，或者“扩展”啥的？想起级联法、反馈清零法、反馈置数法了吗？其二，这个同步计数，异步计数究竟是个啥意思，你搞清楚了吗？其三，如果有清零功能，那么这个清零是同步清零呢？还是异步清零？其四，如果芯片具有预置数的功能，那么同步与异步方式如何去应用？ 哦，倘若你搞清楚了上面这些问题，OK！集成计数器的灵活运用，想必对你而言，so easy啦！1.3 译码，状态比较与显示 下面我们来看如何将计数器输出的计得脉冲数，也就是“点击”次数显示出来，以及如何将甲乙双方“点击”平均速度的大小结果显示出来的问题。 首先，大家应该要清楚，计数器输出的是二进制数，而我们通常所看到的数字都是采用十进制数表示的，也就是说，如果要把“点击”次数显示出来，我们必须要使用具有码制转换功能的电路，BCD七段显示译码器。图4 七段显示译码器 关于BCD七段显示译码，不用多说，请大家参阅相关资料，如教科书中的介绍的七段显示译码器7447。但是，提醒一点，在这里七段显示译码器的选择要注意其输出端是高电平有效，还是低电平有效？因为这将决定你后续七段LED数码管的选型到底是用共阴极或是共阳极的数码管。 在本项目中，我们所使用的显示译码芯片如上图，74HC4511，它不同于我们熟悉的7447芯片（输出低电平有效），它是输出高电平有效。换句话说，也就是我们必须使用共阴极数码管。这要注意呃，嘻嘻！此外，考虑是否可以将数码管直接连接到显示译码芯片的输出端上呃？ 在这里呢，给大家留一个问题供大家思考，你能够求解出输出高电平有效的七段显示译码芯片输出端与输入端的逻辑函数表达式吗？（给个提示哦，可以先写出真值表，然后对其真值表利用卡诺图对每一个输出端进行化简即可。可以一试，就当是巩固复习前面所学知识。） 解决了显示译码，那么摆在我们面前的下一个问题就是如何将甲乙双方的平均点击速度的大小状态显示出来。这个问题，想来也简单。为何呢？大家想，点击平均速度的大小状态，无非就是三种：“甲小于乙”、“甲乙平均速度相等”、“甲大于乙”三种，而为了产生这三种结果，我们是不是只要找到一个这样的芯片，它能够将计数器所输出的“点击”次数的二进制数进行比大小即可！呃，太庆幸，大家应该都想到咱们数字逻辑电路中有专门的此类集成逻辑器件，他就是数值比较器。嗯，它的特长就是对两个数的大小进行比较，然后输出大小状态结果。下图即为本项目中所选择的集成数据比较器芯片：图5 数据比较器 从图中可以看出，该器件为四位数值比较器，而项目中计数器输出的二进制数最多可达八位，显然使用一片74HC85是不足的，我们必须扩展数据比较器的输入端，将其由四位升级成八位。那么如何扩展呢？此问题同样也留待大家去克服。提示：有串联与并联扩展两种方式，具体方案请查阅相关资料。自己动手丰衣足食终归是好滴！2、设计步骤 为使项目电原理图设计思路清晰，布局整齐、简洁，建议大家使用自顶向下的模块化设计思路，模块之间的电气连接采用总线连接的方式处理。 1）通过电路子图的设计，完成BCD七段显示译码电路，简称DECODER模块，如图6所示。图6 DECODER模块的生成 2）通过电路子图的设计，设计计数器，简称COUNTER模块，如图7所示。图7 计数器 此处，建议当大家将计数器设计完成后，直接将显示译码模块连接，及时进行功能验证，查看计数器设计是否有缺陷，以便于及时纠正！ 3）设计COMPARATOR模块，已完成对计数器输出的二进制结果进行比较，如图8所示。图8 封装后的COMPARATOR模块 4）加入单脉冲发生电路，将COUNTER模块、DECODER模块、COMPARATOR模块，LED灯，以及数码管一一连接，完成“点击竞速”游戏的硬件版仿真，如图9所示。图9 “点击竞速”仿真图 如果目前两位随机数生成器的仿真你已经实现，发挥你的想象，请尝试着对其进行适当的功能扩展，相信只要掌握了设计技巧，“点击竞速”也将变得更容易和有趣。 点击竞速属于时序电路与组合电路结合的综合性实验项目，该项目的完成要求具体如下： 1. 甲、乙两个按键用于模拟竞速按钮，每点击一次会完成一次计数，计数范围在0-99，如计数实现不完整只能以50%计入成绩。 2. 竞速过程会伴随数据比较，比较结果不能准确显示（指示灯显示）会酌情减分。 3. 竞速在0-99个数后能分出胜负，如比较到99后不能自动清零则会酌情减分。 4. 点击竞速还可以设置清零键，属竞速设计的加分内容。 5. 报告最后需加入本次实验的心得，字数不限，但切记雷同。 6. 报告请以“班级-学号-姓名”命名，以PDF格式上传至慕课平台。

  实验目的

  (1)通过对光敏电阻基本参数的测量实验，掌握研究光敏电阻特性的基本方法。

  (2)通过光敏电阻电路的基本连接，掌握光敏电阻的使用方法。

  实验内容

  (1)测量暗电阻和无光照射时的伏安特性曲线。

  (2)测量亮电阻和一定光照下的伏安特性曲线。

  (3)作出光电特性曲线，求出光照灵敏度。

  (4)求出光电导灵敏度、电阻灵敏度与比灵敏度。

  实验原理

  下图所示为光敏电阻的原理图与光敏电阻的符号。由上所述，在均匀的具有光导效应的半导体材料的两端加上电极，便构成光敏电阻。当光敏电阻的两端加上适当的偏置电压U_bb(如图所示的电路)后，便有电流I_p流过，用检流计可以检测到该电流。改变照射到光敏电阻上的光度量(如照度)，发现流过光敏电阻的电流I_p将发生变化，说明光敏电阻的阻值随照度变化。

  当入射光子使电子由价带跃升到导带时，导带中的电子和价带中的空穴均参与导电，因此电阻显著减小，电导增加。若连接电源和负载电阻，即可输出电信号。一般有光照时的光敏电阻的阻值称为亮电阻。此时可得出光电导g与光电流I_p的表达式为

  g=g_L-g_d

  I_p=I_L-I_d  (2-1)

  式中，g_L为亮电导；g_d为暗电导；I_L为亮电流；I_d为暗电流。

  根据半导体材料的分类，光敏电阻有两大基本类型：本征型半导体光敏电阻与杂质型半导体光敏电阻。由《光电检测技术》教材第2章中式(2-60)与式(2-61)可以看出，本征型半导体光敏电阻的长波限要短于杂质型半导体光敏电阻的长波限。

  因此，本征型半导体光敏电阻常用于可见光波段的探测，而杂质型半导体光敏电阻常用于红外波段甚至于远红外波段辐射的探测。

  下面介绍本实验涉及到的有关特性参数。

  1．灵敏度

  除了常用的电流灵敏度S₁与电压灵敏度S_V，以外，光敏电阻还有下列几个灵敏度。

  (1)光电导灵敏度S_g

  光敏电阻的光电导g与输入光照度E之比，即为光电导灵敏度。即

  (2-2)

  式中，A为光敏面积；Φ为入射的通量。由欧姆定律，电流I与电压U的关系为I=gU，将式(2-2)中g=S_gE代入得

  I=S_gEU  (2-3)

  此即弱光照时的线性关系。

  (2)电阻灵敏度S_R

  暗电阻R_d与亮电阻R_L之比，称为电阻变化倍数，即。而电阻灵敏度为

  (2-4)

  其中△R=R_d-R_L。显然差别越大越好。

  (3)比灵敏度S_B

  比灵敏度S_B也称积分比灵敏度。即单位通量Φ与电压U下所产生的光电流I_L。即

  (2-5)

  2．光电特性

  光敏电阻的光电流I_L与输入辐射通量Φ有下列关系式：

  I_L=AUΦ^γ  (2-6)

  式中，A为光敏材料决定的常数；U为电源电压；γ为0.5～1之间的系数。弱光照时，γ=1，I_L与Φ有良好的线性关系，即线性光电导；强光照时，γ=0.5，即抛物线性光电导。实验证明，当所加电压一定时，CdS光敏电阻的光电特性曲线如下图所示。

  3．伏安特性(输出特性)

  在一定光照下，光敏电阻的光电流与所加电压关系即为伏安特性。如下图所示。光敏电阻是一个纯电阻，因此符合欧姆定律，故曲线为直线，具有与普通电阻相似的伏安特性。图中虚线为允许功耗或额定功耗线。使用时，应不使光敏电阻的实际功耗超过额定值。在设计负载电阻时，应不使负载线与额定功耗线相交。即使光敏电阻的工作电压、电流控制在额定功耗线之内。

  实验所用仪器设备

  (1)直流稳压电源

  (2)万用表

  (3)微安表、毫安表

  (4)照度计

  (5)标准光源

  (6)滑线电阻器，电阻箱

  (7)滤光片

  (8)中性密度片

  光敏电阻特性测试电路

  不打开电源，将光敏电阻接入下图所示的电路中，并连接好测试仪表。

实验七：随机数生成器 （random number generators）1、设计说明 下图是我们为你准备的随机数生成器功能模块图，你只需要点击图中的开关（BUTTON），就能够在一秒之内生成一个00~99之间的随机数(分别由两个数码管显示，不区别个位和十位)，如果你还想将随机数的位数扩展，或者你希望延长或缩短随机数显示时间，请先试着完成下图中的主要功能。图1 随机数生成器模块图 首先你一定很好奇图1中的两个模块内部藏着什么，事实上你更应该考虑生成器究竟需要什么，其实它的工作原理很简单。产生随机数的两个计数器分别以不同的速度进行计数，我们轻触按键的目的仅仅是驱动译码器的显示，而并非要破坏计数器的计数。由于这两个计数器跑的一快一慢，并且同时显示，就会给我们产生一个瞬时生成100以内随机数的错觉。 当然事情并没有那么简单，为了利用按键来控制随机数的产生，拖延数码管的显示时间，我们还利用D触发器、RC电路、门电路等有效工具，制作出功能相对完善的随机数生成器，下面我们将给出设计过程。1.1 生成和显示BCD码 对随机数发生器而言，首先需要解决数据是如何生成和显示的问题。生成一个需要随机显示的BCD码，貌似很复杂，但生成一个用于循环显示的BCD码却有简单的做法，如时序电路的计数器即具有循环产生十进制BCD码的功能。 对于时序电路中常见的74LS160、74LS161、74lLS191、74lLS192等计数芯片你可能并不陌生，那么现在挑选出其中十进制的计数芯片就成为本项目的第一任务，我们在设计中选择的是可预设的十进制加/减计数器-------CD4510，如图2所示。图2 计数器芯片 接着需要驱动该计数芯片正常工作，实现其十进制加计数的一般功能，当然这部分需要由你参阅相关资料完成。 计数器正常工作后，Q4Q3Q2Q1端会实现从0到9的BCD码循环输出，然后将其接入七段数码管的译码器ABCD端用于显示。本项目中选取的译码器为驱动共阴极数码管BCD码的7段译码器------CD4511，如图3所示。图3 译码器芯片 当译码器接入数码管后，循环计数就变得很直观了。当然计数器的循环显示并不是本项目的最终目标，但是我们可以变换角度的认为计数器可以一直循环计数，而我们只需控制其随机显示似乎就能达到随机数生成器的目的。1.2 控制BCD码的随机显示 在随机数生成器项目中，计数器理论上不易启停，否则很难实现随机数生成的效果。因此我们考虑了更实际的做法，控制CD4511的显示。当我们单击按键（随机数生成器的输入端），实际完成了驱动当前译码器正常显示的操作，这就印证了图1的COUNTER模块中为什么有一个T1的输入接口的原因。 当然，如果我们正在考虑如何生成两位、三位、四位随机数时，所需要关注的不仅仅是同时驱动各译码器CD4511的显示，还要用不同的节拍控制各计数器工作的脉冲，否则将会出现22,33,444,555,6666,7777诸如此类的效果，因此，在图1中我们看见两位的随机数需要采用两个周期不同的脉冲信号来控制，如CLK1、CLK2。1.3 生成随机数 到现在为止，生成随机数的项目中还会出现了两个亟待解决的问题。 1）T1应该如何控制CD4511显示？ 2）T1又是如何产生的？ 就第一个小问题，我们可以给出解决问题的提示：T1必须同时控制CD4511的4脚BI和5脚LE，使其同时产生一个短暂的高电平，用于人们跟踪数码管的随机数显示。 剩下的问题就是轻触按键如何让T1得到这个短暂的高电平。我们知道，项目中按键的状态需要保持一段时间后结束，那么我们会需要考虑D触发器4013以及用于充、放电的RC电路来帮助维持，参考电路如图4所示：图4 D触发器和RC电路 当按键按下，触发器Q端应该立刻产生高电平，同时RC电路充电；但随RC电路的放电，短暂时间后与之相连的D触发器R端置0，触发器Q端随即置零，由此即产生了一个短暂的高电平，当然其实际连接还需要由你来完成。 当按键触发一个短暂的高电平T1产生时，计数器的驱动译码器也会进行短暂工作，显示该计数值，那么我们看见的随机数生成器也就由此产生了。2、设计步骤 正如图1所示，我们完成本项目经过了如下四个步骤： 1）通过电路子图的设计，完成BCD码的计数和译码电路，简称COUNTER模块，如图5所示。图5 COUNTER模块的生成 2）添加共阴极数码管显示电路，验证COUNTER模块的循环BCD计数功能，如图6所示。图6 译码器的显示电路 3）设计TIMER模块，用于按键触发后产生一个短暂的高电平，设计模块如图7所示。图7 封装后的TIMER模块 4）加入按键电路，将BUTTON、TIMER模块、COUNTER模块及数码管一一连接，完成随机数生成器的仿真，如图8所示。图8 随机数发生器的仿真图 如果目前两位随机数生成器的仿真你已经实现，请尝试着扩展其生成三位、四位随机数，相信只要掌握了设计技巧，随机数生成器也将变得更容易和有趣。 随机数生成器评分标准 随机数生成器属于时序电路与RC电路结合的综合性实验项目，该项目的完成要求具体如下： 1. 通过点击完成一次随机数的变化，计数范围在0-99，如计数实现不完整只能以50%计入成绩。 2. 随机过程会伴随数据显示，显示一段时间后随机数会自动消失，如随机数不消失会酌情减分。 3. 随机数采用数码管显示，数码管的显示超过10进制会扣分。 4. 报告最后需加入本次实验的心得，字数不限，但切记雷同。 5. 报告请以“班级-学号-姓名”命名，以PDF格式上传至慕课平台。

A、交流耦合，Q0

B、交流耦合，Q1

C、交流耦合，Q3

D、直流耦合，Q0

E、直流耦合，Q1

F、直流耦合，Q3