全国大学生电子设计竞赛 2010年TI杯模拟电子系统专题邀请赛
经过实际测试与对比，并且受到照度计的启发，我们采用硅光电池为本光源跟踪系统的光敏元件。
2.1.2 光源检测方案
方案一：直流电机带动光敏系统
通过试验电路，结果表明，利用直流电机驱动光敏系统的光源检测方
案有诸多优点：单片机端口资源利用少，无需多路AD口采集数据，只提取两路AD 信号；电机控制方法简单，无需程序设定旋转方向等，硬件自动实现光源精确定位，控制精确，微量的入射光线量都会引起电机旋转，调节到中心位置。
但该方案也有许多不足之处，直流电机不易受单片机控制，旋转角度无法程序有效控制，对于固定角度旋转比较困难，无法通过软件方式使光敏系统准确复位。
方案二：步进电机带动光敏系统，精确控制旋转角度
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。将电路处理后的信号送入单片机，经过单片机逻辑时序控制步进电机准确旋转一定角度，使得光敏系统旋转方位准确可控，更方便软件复位，反馈控制电机角度偏差，形成闭环控制，通过实验可知，当利用其他多路AD信号采集处理，将光源定位精确、稳定、可靠。
对此，我们采用步进电机带动光敏系统的方案。
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2.1.3 传感器布局方案
几种传感器布局方案比较（试验）
方案一：单个光敏元件布局方式 方案二：四个光敏元件差动方式外加挡板布局方式 传感器布局实例图 检测能够进行点光源的粗略定位，通过结合光线的直线传播性质，通过四方式 单片机比较信号大小，确定最大信个相同光敏元件对光源的检测，通号电压，致确定其方位 过单片机进行差动处理，确定光源位置 检测由于受到外界环境光线因素的影本次采用的传感器检测方案，精度精度 响较大，存在很大误差，对光源定高，易于控制，算法相对简单， 位偏差很大 巧妙选用遮光挡板能够减少环境因 素影响 由此，我们采用四个光敏元件差动方式外加挡板的局方式 2.1.4光电跟踪系统前置放大电路方案
光电跟踪系统中的感光系统要求其增益、带宽、功耗和噪声指数都比较理想。而前置放大器作为光探测器的第一级放大，是极为重要的部分。目前，光接收机中用的前置放大器基本有两种：①高阻放大器②跨阻放大器。
方案一：高阻放大器，它采用大的负载电阻来获得高灵敏度和低噪声，但带宽和动态范围不够理想；
方案二：I-V转换电路（带放大功能）：它采用高输入阻抗负反馈结构，具有设计简单和带宽较高的特点。
对此，我们采用I-V转换电路作为光电跟踪系统的前置放大电路。
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2.1.5 外界环境干扰及其消除方案
光敏元件极易受外界环境光线的响，白天和晚上测试效果差异很大，为此专门在光敏元件传感器周围加上自制的遮光套管，同时在两光敏元件中间加挡光板，长短合适的遮光管和挡光板能有效地抑制环境光的干扰，增加光源跟踪系统的灵敏度。
三、理论分析与计算
3.1 LED亮度可调电路的理论分析与计算
赛题要求光源B使用单只1W白光LED，固定在一支架上。并且LED的电流能够在150～350mA的范围内调节。对此，我们首先分析了 LED 的发光机理和伏安特性:
LED的发光机理和伏安特性:
LED，即发光二极管，其本质上还是一颗二极管，因此当在LED 的两端加上正向的电压时，电子和空穴分别注人P区和N 区，当非平衡少数载流子与多数载流子复合时，就会以辐射光子的形式将多余的能量转化为光能。其发光过程包括三个部分：正向偏压下的载流子注入、复合辐射和光能传输。下图为某类LED 正向压降(VF)和正向电流的(IF)关系曲线，由曲线可知，当正向电压超过某个阈值(本例中为约3V，区别于LED 类型)，即通常所说的导通电压之后，可近似认为，IF与VF成正比：
而 LED 的亮度由其上流过的电流大小决定，因此LED的光特性通常都描述为电流的函数，而不是电压的函数，采用恒流源驱动可以更好地控制亮度。此外，LED的正向压降变化范围较大(最大可达1V 以上)，而由上图中的VF-IF 曲线可知，VF 的微小变化会引起巨大的IF变化，从而引起亮度的较大变化。所以,采用恒压源驱动不能保证LED 亮度的一致性，并且影响LED 的可靠性、寿命和光衰。因此，通常采用恒流方式驱动。
赛题要求光源B使用单只1W白光LED的电流能够在150～350mA的范围内调节。我们采用NPN型三极管共射极连接方式电路来实现。
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全国大学生电子设计竞赛 2010年TI杯模拟电子系统专题邀请赛 D1R1+5LED1R2100R3680R420Q1R71kTIP41CR62kR82kR51k 下图为NPN型三极管共射极连接时的输出特性曲线 1在放大区域内，BJT输出特性曲线的特点是各条曲线几乎与横坐标轴平行，但随着VCE的增加，各条曲线略向上倾斜。这说明在该区域内，iC主要受iB控制。 由定电阻R2、R7、R6、R5、可调电阻R8调节BJT基极电压，从而改变集电极电流，进而使得流过LED灯的电流得到相应改变。此电路供给+5V电源，LED压降大约为2343.3V,由此取得各个电阻值。 3.2光电跟踪系统前置放大电路理论分析与计算
采用电压反馈放大器（VFA）设计一个好的电流-电压转换器（跨阻放大器）富有挑战性。根据定义，受光线照射而产生电流或电压输出的二极管光敏元件为硅光电池。跨阻放大器（TIA）用来将这个低电流转换为一个可用的电压信号，通常为了保证稳定工作需要对跨阻放大器做补偿处理。我们采用芯片TL082CN作运放，来设计一个简单的电流-电压转换器。
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全国大学生电子设计竞赛 2010年TI杯模拟电子系统专题邀请赛 C1R1RF+5CFC10.1ufAR1Vout1TL082CNC20.1uf-52 运算放大器反相端上的总电容（CT）包含光电池电容（CPD）和输入电容（CIN）。在电路的稳定性上总电容扮演了重要的角色。这个电路的噪声增益（NG）取决于稳定性，并定义为： 下图所示是噪声增益与运算放大器的开环增益（AOL）相交的波特图。在较大的增益（RF）下，CT和RF在转移函数中产生一个零点。在较高频率下跨阻放大器可能会表现出固有的不稳定性，因为在环路中会有额外的相移。 TitleSizeBDate:File:2345
噪声增益与运算放大器开环增益相交的波特图
RF主要控制此电路的信号的放大倍数，为了维持放大器的稳定性，在RF两端跨接一个反馈电容器CF，这会在噪声增益函数中的fp处产生一个极点。为优化性能，选择适当的CF数值能使噪声增益斜率变得平坦，这样噪声增益就等于运算放大器在fp处的开环增益。这一噪声增益斜率的“平坦部分”超过AOL的截止点，结果使噪声增益得到45°的相位裕量（PM）。因为噪声增益的fp极点会在截止点
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