崑崑崑崑 山山山山 科科科科 技技技技 大大大大 學學學學

電電電電 子子子子 工工工工 程程程程 系系系系 四四四四 技技技技 部部部部

專專專專 題題題題 研研研研 究究究究 報報報報 告告告告

紅外線感測與紅外線感測與紅外線感測與紅外線感測與

光纖傳收模組光纖傳收模組光纖傳收模組光纖傳收模組

學生學生學生學生：：：：吳宗勳吳宗勳吳宗勳吳宗勳、、、、林育銓林育銓林育銓林育銓

指導教授指導教授指導教授指導教授：：：：楊朝欽楊朝欽楊朝欽楊朝欽 老師老師老師老師

中 華 民 國 九 十 五 年 一 月中 華 民 國 九 十 五 年 一 月中 華 民 國 九 十 五 年 一 月中 華 民 國 九 十 五 年 一 月

I

摘要摘要摘要摘要

焦電式紅外線感測器:係以強介電材質為原料所做成的光感測器,大

都以紅外線輻射的接收,由熱電效應產生電賀的變化,然因電荷的變

化不一直接使用,所以製造廠商就以高輸入阻抗的FET為其輸出置.

而此感測人體本身所放射出來的紅外線(體溫),而啟動反應的繼電

器.一般而言應用在室內自動點燈器,亦可作為來客通知器等.人體

或其他動物都會散發一種紅外線,而焦電形的紅外線感測器能感測

到這種紅外線的變化.當人體經過感測器時,感測器會產生一個微小

的信號變化,在裡用OP放大器將這個微小的電壓變化放大成觸發號.

II

目錄目錄目錄目錄

摘要……………………………………………………………………I

目錄……………………………………………………………………II

圖目錄…………………………………………………………………IV

表目錄………………………………………………………………… V

第一章 諸論…………………………………………………………1

1-1 實習目標……………………………………………………1

1-2 專題動機……………………………………………………1

第二章 電路…………………………………………………………2

2-1 電路分析……………………………………………………3

2-2 非反相放大器………………………………………………4

2-3 反相放大器…………………………………………………5

2-4 多功能電壓比較……………………………………………7

第三章 實作…………………………………………………………9

3-1 設計電路 …………………………………………………9

3-2 使用特殊元件……………………………………………10

3-3 作品………………………………………………………12

3-3-1 元件面………………………………………12

3-4 測試結果 …………………………………………………13

III

第四章 光纖傳收模組 ………………………………………17

4-1 光纖接收機之概述 ……………………………………17

4-1-1 光電轉換器………………………………………17

4-1-2 信號處理器………………………………………18

4-2 接收機的設計與製作…………………………………19

4-3 儀器操作與實驗結果…………………………………20

第五章 討論……………………………………………………29

第六章 未來發展………………………………………………30

參考文獻 ………………………………………………………31

IV

圖目錄圖目錄圖目錄圖目錄

圖2-1自動燈光控制線路………………………………………………2

圖2-2自動燈光點滅控制實驗接線……………………………………3

圖2-3非反相放大器……………………………………………………4

圖2-4反相放大器………………………………………………………5

圖2-5多功能電壓比較…………………………………………………7

圖3-1設計電路…………………………………………………………9

圖 3-2 紅外線感測元件 ……………………………………………10

圖 3-3 作品圖 ………………………………………………………12

圖 3-4-1 波形分析 S點………………………………………………13

圖 3-4-2 波形分析 A點………………………………………………13

圖 3-4-3 波形分析 B點………………………………………………14

圖 3-4-3 (a)波形實測 B點………………………………………14

圖 3-4-3 (b)波形實測 B點………………………………………14

圖 3-4-4 波形分析 C點………………………………………………15

圖 3-4-5 波形分析 D點………………………………………………15

圖 3-4-6 波形分析 F點……………………………………………… 16

圖 4-1 光纖接收機的方塊圖 ……………………………………18

圖 4-2 光纖訊號接收機方塊圖 ……………………………………19

V

圖4-3光傳收器電路圖 ………………………………………………21

圖 4-4 光訊號收發模組元件面 …………………………………21

圖 4-5 檢測成品圖 ………………………………………… 25

圖 4-6-1編號 T131S11131的傳收器所發出光信號的頻譜…… 26

圖 4-6-2編號 T131S11155的傳收器所發出光信號的頻譜…… 26

圖 4-7 測量波形 ……………………………………………… 27

圖 4-8 接線圖……………………………………………………… 27

圖 4-9 示波器所產生的波 …………………………………… 28

表目錄表目錄表目錄表目錄

表 4-1 光傳收器腳位…………………………………………… 22

表 4-2 光傳收器特性…………………………………………… 22

1

第一章第一章第一章第一章 諸論諸論諸論諸論

1111----1111 實習目標實習目標實習目標實習目標

焦電式紅外線感測器之認識與特性量測.

焦電式紅外線感測器應用實習與專題製作.

1111----2222 專題動機專題動機專題動機專題動機

焦電式紅外線感測器,所以得到的輸出電壓只有數MV或更小,所以必

須有放大率很高的放大器,把信號加以放大,而當放大率很大的時候,

只要有微小的雜訊被引入,將造成極大的干擾,甚至因而產生振盪,

所以焦電式紅外線感測器的應用線路設計,必須考慮到:

1.防止雜訊干擾及

2.要有足夠的放大率.

2

第二章第二章第二章第二章 電路電路電路電路::::

圖圖圖圖2222----1111自動燈光控制線路自動燈光控制線路自動燈光控制線路自動燈光控制線路

3

2222----1 1 1 1 電路分析電路分析電路分析電路分析::::

圖圖圖圖2222----2222自動燈光點滅控制實驗接線自動燈光點滅控制實驗接線自動燈光點滅控制實驗接線自動燈光點滅控制實驗接線

4

2222----2222 非反相放大器非反相放大器非反相放大器非反相放大器

圖圖圖圖2222----3333非反相放大器非反相放大器非反相放大器非反相放大器

非反相放大器非反相放大器非反相放大器非反相放大器和反相放大器反相放大器反相放大器反相放大器都是放大器,只是反相和非反相的差別.

反相放大時,輸入和輸出相位差為180°,非反相放大時,相位差為0°.

反相與非反相放大器的結構和原理均可說是同一脈.只是一個從反

相端輸入,另一個是由非反相端輸入.LB-05非反相放大器的放大率

可由RV1和RV2調整之,其放大率為

AV=1+R3+RV1/R1=(1+20k/20k~1+520k/20k)=(2倍~27倍)

5

2222----3 3 3 3 反相放大器反相放大器反相放大器反相放大器

圖圖圖圖2222----4444反相放大器反相放大器反相放大器反相放大器

內建兩個反相放大器,其放大率分別由RV1和RV2調整之.放大率的大

小為:Av1=Vo1/V1=R3+RV1/R1,Av1=R4+RV2/R2

放大率的範圍(20k+2Ω/20k)~(-20k+500k/20k)=-1倍~-26倍

其中HR1和HR2分別調整OP1和OP2的直流抵補電壓,使V1=0V時、

Vo1=0V,V2=0V、Vo2=0V.事實上我們可以另R1或R2小一點,若

R1=R2=2kΩ時,其放大率將為-10倍~-260倍.淡OP Amp的增益和頻寬

的成積,幾乎是常數,［電壓增益(放大率)］×［頻寬］=常數

意思是說放大率愈大的時候,其使用的頻寬將會愈窄.例如,LM741,

於單一增益(Av=1倍)時,頻寬可達1MHz左右.但放大率為10倍的時候,

6

頻寬約100kHz,乃因:1倍×1MHz=10倍×100kHz.所以對單獨一個OP Amp

使用時,增益不要設計的太大,以免頻率高些就變成衰減器而不是放

大器.

7

2222----4 4 4 4 多功能電壓比較多功能電壓比較多功能電壓比較多功能電壓比較

圖圖圖圖2222----5555多功多功多功多功能電壓比較能電壓比較能電壓比較能電壓比較

這個線路能達到比較電壓大、中、小的指示,若輸入電壓

(1) V1>Vu(大於上限電壓),LED1 ON

(2) Vu>V1>Vd(位於上、下限之間),LED2 ON

(3) V1<Vd(小於下限電壓),LED3 ON

COMP1、COMP2:

這兩個電壓比較器都是LM311.其電源使用雙電源±Vcc,使得COMP1和

COMP2可以做正、負電壓的比較,即Vu、V1、Vd可以使用正電壓或負

電壓.誘因LM311第1腳接地,使得其輸出電壓轉換成只有0V和Vcc(沒

8

有-Vcc的情況),便能於LM311輸出端直接驅動數位IC.若±Vcc=±5V,

則可用TTL數位IC,或CMOS數位IC.若±Vcc=±12V、±5V,則可用CMOS IC

配合之.

9

第三章第三章第三章第三章 實作實作實作實作

3333----1 1 1 1 設計電路設計電路設計電路設計電路

圖圖圖圖3333----1111設計電路設計電路設計電路設計電路

10

3333----2 2 2 2 使用特殊元件使用特殊元件使用特殊元件使用特殊元件

圖圖圖圖 3 3 3 3----2 2 2 2 紅外線感測元件紅外線感測元件紅外線感測元件紅外線感測元件

功能與特色 型號:LHI 954

1.是以TGG(三甘氨酸硫酸鹽)或PZT(汰酸系壓電材料)等強介質所做

成的光感測器。

2.因為是利用溫度變化，產生電荷現象，故又名[焦電型]人體紅外

線感測器。

3.電源電壓:3~15VDC。

4.使用溫度範圍:-10~+50。

5.源極的輸出信號極小，僅有數mV到數十mV。

6.當電源使用5VCD，源極電阻使用47K，經過兩極放大後的輸出電壓

約在0.3~1.5VDC。

7.最主要是用來偵測溫度的變化。

11

8.接受所有熱體所幅射出來的紅外線(包括人體)。

9.可當作一般開關使用，多應用於自動門房到或保全系統。

12

3333----3 3 3 3 作品作品作品作品

3 3 3 3----3333----1111元件面元件面元件面元件面

圖圖圖圖 3 3 3 3----3 3 3 3 作品圖作品圖作品圖作品圖

13

3333----4 4 4 4 測試結果測試結果測試結果測試結果

SSSS點點點點

圖圖圖圖3333----4444----1 1 1 1 波形分析波形分析波形分析波形分析SSSS點點點點

S點乃焦電感測器的輸出,因FET動作有一定的直流電壓Vdc存在.而

其變化量又僅數Mv(非常小),若用示波器觀測期變化時,不宜使用DC

檔,必須使用AC檔,並且把示波器電壓刻度設在最小度5Mv那一檔,時

基刻度設在0.1sec或最慢那一檔.然後用手移動,看看波形的變化.

AAAA點點點點

圖圖圖圖3333----4444----2222波形分析波形分析波形分析波形分析AAAA點點點點

14

從S點到A點乃經過電容器C1,電容器所降的直流電壓為Vdc,所以A點

才會得到純交流的變化,以後若信號中含交流和直流成份時,想得到

純交流變化,就必須串電容器.

BBBB點點點點

圖圖圖圖3333----4444----3333波形分析波形分析波形分析波形分析BBBB點點點點

圖圖圖圖3333----4444----3 (a)3 (a)3 (a)3 (a)波形實測波形實測波形實測波形實測BBBB點點點點 圖圖圖圖3333----4444----3 (b)3 (b)3 (b)3 (b)波形實測波形實測波形實測波形實測BBBB點點點點

B點的信號乃把A點經OPA放大,OPA的放大率約為3~53倍,所以B點會

得到數拾Mv~數百Mv的電壓變化量,而B點也可能因OPA的抵補現象而

存在直流成份,所以在B點之後,加了C2以隔離直流電壓.

15

CCCC點點點點

圖圖圖圖 3 3 3 3----4444----4 4 4 4 波形分析波形分析波形分析波形分析CCCC點點點點

C點的信號乃把B點經OPB反相放大而得到,其放大率約-2倍~-52倍,

此時C點的電壓變化量,最好能再700Mv以上,才能使用1N4148Dx二極

體導通,便能於Cx上充電而得到某一電壓.

DDDD點點點點

圖圖圖圖 3 3 3 3----4444----5 5 5 5 波形分析波形分析波形分析波形分析DDDD點點點點

因有Dx存在,使得當C點正電壓時,Dx ON而快速充電,否則就慢速放電,

因而使F點得到寬度為T的低態.

16

FFFF點點點點

圖圖圖圖 3 3 3 3----4444----6 6 6 6 波形分析波形分析波形分析波形分析FFFF點點點點

F點和E點乃互為反相,當F點為0時,H點為1,則Q1 ON,LED ON,繼電器

RY ON,燈泡亮起來,延遲時間T.

17

第四章第四章第四章第四章 光纖傳收模組光纖傳收模組光纖傳收模組光纖傳收模組

4444----1111 光纖接收機之概述光纖接收機之概述光纖接收機之概述光纖接收機之概述

我們利用光二極體將電的信號轉換成光的訊號，並且利它來

傳輸類比與數位訊號。在此章中我們將討論光纖傳輸系統中的接

收，如圖 4.1 所示，由圖中可知接收器包括光電轉換器和信號處理

器，茲將其特性分述如後：

4 4 4 4----1111----1111 光電轉換器光電轉換器光電轉換器光電轉換器

「光電轉換器」的主要功能是將光波轉換成電流，由於檢光器

所產的輸出電流是正比於入射光波的功率，而且資訊是包含於光功

率的變化中，所以檢光器的輸出電流亦包含了此資訊。由於一般的

檢光器會有大的表面積及大的受光角，因此光纖能有效地將光耦合

至檢光器上。最常用的檢光器是檢光二極體（Photodiode），它可將

光功率轉變成電流。基本上檢光器可分成二大類：（１）直接將光子

變成電子的轉換器；（２）熱參數型的轉換器。檢光二極體乃屬前者，

它會吸收光子能量而產生電子與電洞對，進而產生電流。另輻射熱

測定器（Bolometer）則屬於第二類，它吸收光能量後會變化本身的

電阻量，在較高速率的應用中，以第一類較為恰當。

18

圖圖圖圖 4444----1 1 1 1 光纖接收機的方塊圖光纖接收機的方塊圖光纖接收機的方塊圖光纖接收機的方塊圖

4444----1111----2 2 2 2 信號處理器信號處理器信號處理器信號處理器

「訊號處理器」之目的在將光電轉換器所轉換出的信號作放

大與濾波，我們將它分成二部份來討論：一為類比接收信號處理電

路，另一為數位接收信號處理電路。

19

4444----2 2 2 2 光傳收器光傳收器光傳收器光傳收器的設計與製作的設計與製作的設計與製作的設計與製作

圖 4-2 所示是實驗中所設計的製作的光纖通訊接收機方塊圖，

其主要分成兩大部分 其一為類比接收機方塊圖(a)，另一個數位訊

號接收機方塊圖，如圖(b)所示:

訊號輸出

(b) 數位訊號接收機方塊圖

圖圖圖圖 4444----2 2 2 2 光纖訊號接收機方塊圖光纖訊號接收機方塊圖光纖訊號接收機方塊圖光纖訊號接收機方塊圖

光電轉換 信號處理器

20

4444----3 3 3 3 儀器操作與實驗結果儀器操作與實驗結果儀器操作與實驗結果儀器操作與實驗結果

光收發模組光收發模組光收發模組光收發模組：：：：

光收發模組係整合光傳送器光傳送器光傳送器光傳送器(transmitter)(transmitter)(transmitter)(transmitter) 及光接收器光接收器光接收器光接收器

(receiver)(receiver)(receiver)(receiver)兩大功能，而形成的單一光單一光單一光單一光訊號收發模組訊號收發模組訊號收發模組訊號收發模組。因

此，可將其區分為通訊用光源（發射器）及檢光器兩大部分，

其中通訊用光源部分主要採用 LED 及 LD兩種光源，LED單價

雖然相對便宜，然而 LD 因光源性質較佳，加上新開發的面

射型雷射（VCSEL）光源性能優越，採用 LD 的光收發模組比

重有逐年增加趨勢。

而檢光器部分尤為光收發模組最重要的關鍵組件，需具備高

靈敏度、高頻寬、高可靠度以及低成本、易製造要求。目前

檢光器所採用的元件，主要分為 PIN二極體 及 APD 二極體

兩類，其中又以 PIN二極體生產成本較低，所佔比重較大。

未來光纖網路傳輸速率要求將不斷提升，光源及檢光器性能

的要求將成為光網路發展的重要關鍵。

21

光傳收器電路圖如下:

圖圖圖圖 4444----3 3 3 3 光傳收器電路圖光傳收器電路圖光傳收器電路圖光傳收器電路圖

所製作的光傳收器成品圖如下：

圖圖圖圖 4444----4 4 4 4 光訊號收發模組元件面光訊號收發模組元件面光訊號收發模組元件面光訊號收發模組元件面

22

表表表表 4444----1 1 1 1 光傳收器腳位光傳收器腳位光傳收器腳位光傳收器腳位

PIN Symbol Notes

1 Rx GND 直接地連接這個引線把接收機接於地平面

2 RD﹢ 接收器資料 (PECL)

3 RD- 接收器資料在限制之外 (PECL)

4 SD 活躍高在這表明一個被認為標準的光學信號

5 Rx Vcc +3.3V de power 為接收器部分

6 Tx Vcc +3.3V de power 為傳送者部分

7 TD- 傳送者資料在限制(PECL)

8 TD﹢ 傳送者資料在(PECL)

9 Tx GND 直接地連接這個引線把傳送者接於地平面

表表表表 4444----2 2 2 2 光傳收器特性光傳收器特性光傳收器特性光傳收器特性

電信號特性

Parameter Symbol Unit. Min. Typ Max. Note

Power Supply currentIcc mA 140 Maximum current

is specified at

Vcc＝Maximum

@maximumtemncratur

Data Input

Current-Low IL μA -350

Data Input

Current-HighIut μA 350

Differential Input

Voltage VIH-VH mV 300

Data Input

Voltage-Low VL-Vcc V -2.0 -1.58

Data Input

Voltage-HighVIH-Vcc V -1.1 -0.74

These inputs are compatible

with 10K, 10KH and 100K ECL and

PECL inputs.

23

光信號特性

Parameter Symbol Unit. Min. Typ. Max. Notes

Optical

Transmit

Power

P0 dBm -14 － -8

Output

Center

Wavelength

λ nm 1260 1310 1360

Output

Spectrum

Width

Δλrms nm － － 3 (σ)

Extinction

Ratio

Ex dB 8.2 － －

Output Eye Comply with GR-253/ITU-957 STM-1

Optical

Rise Time

tr ns 2 10%-90%values

Optical

Fall Time

tf ns 2 10%-90%values

Optical

Isolation

dB 30 TX:1310nm/RX:1550nm

Relative

Intensity

Noise

RIN dB/Hz -116

Total

Jitter

TJ ns 1.2 Measured with 2n-1

PRBS with 72 ones and

72 zeros.

所使用的光傳收器具有雙向傳送與接收的功能。其雙向傳收的示意

圖如下圖所示。兩顆光傳收器的編號各為 T131S11131 和

T131S11155，其中編號為 T131S11131 的光傳收器(左邊)傳送的光信

24

號波長約為 1310nm，所接收的光信號波長約為 1550nm。而編號為

T131S11155 的光傳收器(右邊)傳送的光信號波長約為 1550nm，所接

收的光信號波長約為 1310nm。因此右邊的光傳收器可用波長 1550nm

的光將訊號傳給左邊的光傳收器，並且可同時接收左邊的光傳收器

所傳來的波長 1310nm的光信號。由於向左傳送和向右傳送的光波長

不同，彼此較不會互相干擾，因此兩個光傳收器間只要有一條光纖

即可作雙向光通訊。下圖為了方便說明起見，將向左傳送和向右傳

送的情況分開描述。

TD+(發射端輸入信號處)RD+(接收端輸出信號處)光傳收器(編號為T131S11131) 光傳收器(編號為T131S11155)光訊號波長為1550nm

TD+(發射端輸入信號處) RD+(接收端輸出信號處)光傳收器(編號為T131S11131) 光傳收器(編號為T131S11155)光訊號波長為1310nm光纖

在使用光傳收器前需先作測試，以確保光傳收器是否能正常運作。

25

測試的實驗架構如下圖所示，使用光譜儀來觀看光傳收器所發出的

光信號頻譜：

圖圖圖圖 4444----5 5 5 5 檢測成品圖檢測成品圖檢測成品圖檢測成品圖

利用光頻譜分析儀測試完成電路是否有動作.還有雷射光的中心波

長值。以下為用光頻譜分析儀測量兩顆編號為 T131S11131 和

T131S11155 的光傳收器所發出光信號的頻譜。

26

圖圖圖圖 4444----6666----1 1 1 1 編號編號編號編號 T131S11131T131S11131T131S11131T131S11131 的傳收器所發出光信號的頻譜的傳收器所發出光信號的頻譜的傳收器所發出光信號的頻譜的傳收器所發出光信號的頻譜

圖圖圖圖 4444----6666----2222 編號編號編號編號 T131S11155T131S11155T131S11155T131S11155 的傳收器所發出光信號的頻譜的傳收器所發出光信號的頻譜的傳收器所發出光信號的頻譜的傳收器所發出光信號的頻譜

27

接下來先作兩個光傳收器間的單向傳輸實驗，實驗架構如下圖所示：

圖圖圖圖 4444----7 7 7 7 測量波測量波測量波測量波形形形形

圖圖圖圖 4444----8 8 8 8 接線圖接線圖接線圖接線圖

28

單向傳輸的實驗步驟如下

1.使訊號產生器產生方波，振幅為 2.2Vp-p。

2.打開數位式電源供應器的3.3V輸出開關，將光傳收器的Vcc和 GND

接到電源供應器 3.3V 的接頭。

3. 訊號產生器輸出接到發送的光傳收器的 TD+腳位。

4.發送的光傳收器和接收的光傳收器用光纖連接。

5.接收的光傳收器的 RD+腳位接到示波器的輸出。

以下是最後所得示波器的結果：

圖圖圖圖 4444----9 9 9 9 示波器所產生的波形示波器所產生的波形示波器所產生的波形示波器所產生的波形

29

第五章第五章第五章第五章 討論討論討論討論

我們利用紅外線感測器製作紅外線人體感測器,製作的過程遇到了

許多瓶頸,例如:將測試點A與測試點B分開測試,都有得到波型,但將

測試點A及測試點B一起測試,則無反應,經過多次的修正,還是無法

找出沒有反應的原因,最後製作的結果只呈現出測試點B與感測器的

反應波形圖。

另外,我們使用了雷射光二極體與光纖製作訊息收發器,製作過程中

發現只能單向動作,就是說只能單向傳送與接收訊號,不能雙向使用,

需要留待後面的學弟找出問題。

30

第六章第六章第六章第六章 未來發展未來發展未來發展未來發展

光纖通訊雖然歷史不長，但是其發展之快速已是有目共睹的事宜，

發展到現在，光纖不僅用於長距離、大容量之電信幹線網路，也應

用於用戶迴路、電腦區域網路、有線電視、自動化監控等各種領域，

並且還在繼續發展之中，全世界光纖及其相關通訊設備市場之擴大

是可預期的。國內市場方面除電信局之需求外，有線電視即將開放，

而各種重大交通建設如捷運系統、高速公路、高速鐵路也都需要光

纖通訊，因此，在未來幾年內之需求量是相當可觀的。

31

參考文獻參考文獻參考文獻參考文獻

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科技圖書股份有限公司，2002。

【2】浩司，光纖的實驗與應用，建興出版社，1986。

【3】陳文杰，紅外線數據通信，光學工程,五十二期，1995. 9

【【【【4444】】】】李銘淵，光纖通信概論，全華科技圖書，1989。