实验1 LD/LED的P-I-V特性曲线测试

实验目的

1、测试LD/LED的功率－电流（P-I）特性曲线和电压－电流（V-I）特性曲线，计算阈值电流（Ith）和外微分量子效率。

2、了解温度（T）对阈值电流（Ith）和光功率（P）的影响。

实验内容

1、测试在LD/LED的功率－电流（P-I）特性曲线和电压－电流（V-I）特性曲线。

2、测试LD温度特性。

实验仪器

1、LD激光二极管（带尾纤输出，FC型接口） 1只

2、LED发光二极管 1只

3、LD/ LED电流源 1台

4、温控器（可选） 1台

5、光功率计 1台

6、积分球（可选） 1个

7、万用表 1台

实验原理

激光二极管LD和发光二极管LED是光通讯系统中

使用的主要光源。LD和LED都是半导体光电子器件，其

核心部分都是P-N结。因此其具有与普通二极管相类似

的V-I特性曲线，如图1-1所示：

由V-I曲线我们可以计算出LD/LED总的串联电阻R

和开门电压VT。

在结构上，由于LED与LD相比没有光学谐振腔。因此，LD和LED的功率与电流的P-I关系特性曲线则有很大的差别。LED的P-I

曲线基本上是一条近似的线性直线。

从图1-2中可以看出LD的P-I曲线有一阈值电

流Ith，只有在工作电流If>Ith部分，P-I曲线才近似

一根直线。而在If<Ith部分，LD输出的光功率几乎为

零。

对于LD可以根据其P-I曲线可以求出LD的外微

分量子效率ηD。其具有如下关系：

P??If?Ith??V??D

因此在曲线中，曲线的斜率表征的就是外微分量子效率。

由于光电子器件是由半导体材料制成，因此温度对其光电特性影响也很大。随着温度的增加，LD的阈值逐渐增大，光功率逐

渐减小，外微分量子效率逐渐减小。阈值与温度的

近似关系可以表示为：

Ith(T)?Ith(Tr)exp[(T?Tr)/T0]

式中，Tr为室温，Ith(Tr)为室温下的阈值电

流，T0为特征温度。不同温度下，LD的P-I曲线

如图1-3，根据此图可以求出LD的特征温度。

实验步骤

1、按图1-5示线路连接LD或LED，其

引脚说明见图1-7和图1-8。若没有配积分球，

可直接将LD或LED与光功率计连接，将LD

或LED在暗室内放入光功率计的接口处。实

验时，若不使用积分球，将只会影响到LED

各参数的测量精度，对LD各参数的测量不会影响。

2、若实验中用到温控器，启动温控器电源，并将温度调到20℃。

3、通电之前，确保“粗调”、“细调”旋钮在最小值位置。这样可防止冲击电流损坏LD。实验中用到的LD是POINTER管，电流源要选择使用POINTER档位。开启LD的驱动电源，缓慢调节电流旋纽逐渐增加工作电流，并用万用表测试LD两端的电压值。每隔一定电流间隔，记录LD的电压值和光功率值。绘制LD的P-I曲线和V-I曲线。注意：LD为静电敏感元件，因此操作者不要用手直接接触激光器引脚以及与引脚连接的任何测试点和线路，以免损坏激光器。

4、开启LED的驱动电源（恒流档测量），缓慢调节“粗调”旋纽逐渐增加工作电流，并用万用表测试LED两端的电压值。每隔一定电流间隔(约3mA)，记录LED的电压值和光功率值。绘制LED的P-I曲线和V-I曲线。

5、调节温控器，升高LD的工作温度，重复实验步骤3，记录LD的P-I曲线和V-I曲线。比较在不同温度下，LD的特性曲线变化。

实验数据：（数据在实验报告后面）

数据处理：

绘制LD的U-I曲线:

绘制LD的P-I曲线:

绘制LED的V-I曲线:

绘制LED的P-I曲线:

实验心得：

通过该实验学会了测试LD/LED的功率，电压和电流，画出了功率－电流（P-I）特性曲线和电压－电流（V-I）特性曲线，通过实验数据及观察特性曲线，计算阈值电流（Ith）和外微分量子效率。而且明白了解温度（T）对阈值电

流（Ith）和光功率（P）的影响。

思考题

1、串联电阻R对于LD/LED的应用性能有何影响？

答：（1）串联电阻是限制电流，保护LED

（2）串联电阻的加入要使电流达到LED的额定值之内（通常5-20mA）。

（3）不能将电阻去掉。去掉后，将会造成电流过大，直接烧毁LED，或影响LED的寿命。

2、为什么LD/LED的输出特性有较大差异？

答： 虽然LD和LED都是电流注入式发光器件，但它们具有不同的光束质量。

LED发出的是随机相位光束，这与普通光源是一样的；但LD发出的光具有匹配相位特性（相干光），这使得它具有某些特别的用途。这种相干光能够经过平行准直后被限制于有限的尺寸，并且可以经过远距离传输之后保持这种局域性。另外，相干光具有干涉特性，所以可以用于磁盘读取。除此以外，因为LD比LED具有更高的工作速率，所以LD比较适合短脉冲要求的工作环境

 

第二篇：实验三 频率特性曲线测试

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实验三  频率特性曲线测试

3.2.3 二阶闭环系统的频率特性曲线

一．实验目的

1．  了解和掌握二阶闭环系统中的对数幅频特性和相频特性，实频特性和虚频特性的计算。

2．  了解和掌握欠阻尼二阶闭环系统中的自然频率ωn、阻尼比ξ对谐振频率ωr和谐振峰值L(ωr)的影响及ωr和L(ωr) 的计算。

3．  观察和分析欠阻尼二阶开环系统的谐振频率ωr、谐振峰值L(ωr)，并与理论计算值作比对。

4．  改变被测系统的电路参数，画出闭环频率特性曲线，观测谐振频率和谐振峰值，填入实验报告。

二．实验内容及步骤

1．被测系统模拟电路图的构成如图3-2-3所示，观测二阶闭环系统的频率特性曲线，测试其谐振频率、谐振峰值。

2．改变被测系统的各项电路参数，画出其系统模拟电路图，及闭环频率特性曲线，並计算和测量系统的谐振频率及谐振峰值，填入实验报告。

图3-2-3     二阶闭环系统频率特性测试电路

   实验步骤：                                         

（1）将数/模转换器（B2）输出OUT2作为被测系统的输入。

（2）构造模拟电路：按图3-2-3安置短路套及测孔联线，表如下。

（a）安置短路套                    （b）测孔联线

（3）运行、观察、记录：

① 将数/模转换器（B2）输出OUT2作为被测系统的输入，运行LABACT程序，在界面的自动控制菜单下的线性控制系统的频率响应分析实验项目，选择二阶系统，就会弹出‘频率特性扫描点设置’表。

在该表中用户可根据自己的需要填入各个扫描点频率（本实验机选取的频率值f，以0.1Hz为分辨率），如需在特性曲线上标注显示某个扫描点的角频率ω、幅频特性L(ω)或相频特性φ(ω)，则可在该表的扫描点上方小框内点击一下（打√）。设置完后，点击确认后将弹出虚拟示波器的频率特性界面，点击开始，即可按‘频率特性扫描点设置’表规定的频率值，实现频率特性测试。

② 测试结束后（约十分钟），可点击界面下方的“频率特性”选择框中的任意一项进行切换，将显示被测系统的闭环对数幅频、相频特性曲线（伯德图）和幅相曲线（奈奎斯特图）。

③ 显示该系统用户点取的频率点的ω、L、、Im、Re

实验机在测试频率特性结束后，将提示用户用鼠标直接在幅频或相频特性曲线的界面上点击所需增加的频率点（为了教育上的方便，本实验机选取的频率值f，以0.1Hz为分辨率，例如所选择的信号频率f值为4.19Hz，则被认为4.1 Hz送入到被测对象的输入端），实验机将会把鼠标点取的频率点的频率信号送入到被测对象的输入端，然后检测该频率的频率特性。检测完成后在界面上方显示该频率点的f、ω、L、、Im、Re相关数据，同时在曲线上打‘十字标记’。如果增添的频率点足够多，则特性曲线将成为近似光滑的曲线。

       鼠标在界面上移动时，在界面的左下角将会同步显示鼠标位置所选取的角频率ω值及幅值或相位值。

④ 谐振频率和谐振峰值的测试：

在闭环对数幅频曲线中用鼠标在曲线峰值处点击一下，待检测完成后就可以根据‘十字标记’测得该系统的谐振频率ωr ，谐振峰值L(ωr)。

图3-2-4   被测二阶闭环系统的对数幅频曲线

三．实验报告要求：

按下表改变图3-2-3所示的实验被测系统：

改变开环增益K（A3）、惯性时间常数T（A3）、积分常数Ti（A2），画出其系统模拟电路图，及开环频率特性曲线，並计算和测量系统的谐振频率及谐振峰值，填入实验报告。

3.2.4 二阶开环系统的频率特性曲线

一．实验目的

1．了解和掌握Ⅰ型二阶开环系统中的对数幅频特性和相频特性，实频特性 和虚频特性的计算。

2．了解和掌握欠阻尼Ⅰ型二阶闭环系统中的自然频率、阻尼比ξ对开环参数幅值穿越频率和相位裕度的影响，及幅值穿越频率和相位裕度的计算。

3．研究表征系统稳定程度的相位裕度和幅值穿越频率对系统的影响。

4．了解和掌握Ⅰ型二阶开环系统对数幅频曲线、相频曲线、和幅相曲线的构造及绘制方法

二．实验内容及步骤

1．被测系统模拟电路图的构成如图3-2-3所示（同Ⅰ型二阶闭环系统频率特性测试构成），测试其幅值穿越频率、相位裕度。

2．改变被测系统的各项电路参数，画出其系统模拟电路图，及开环频率特性曲线，並计算和测量其幅值穿越频率、相位裕度，填入实验报告。

实验步骤：

（1）将数/模转换器（B2）输出OUT2作为被测系统的输入。

（2）构造模拟电路：安置短路套及测孔联线表同笫3.2.2 节《二阶闭环系统的频率特性曲线测试》。

（3）运行、观察、记录：

① 将数/模转换器（B2）输出OUT2作为被测系统的输入，运行LABACT程序，在界面的自动控制菜单下的线性控制系统的频率响应分析实验项目，选择二阶系统，就会弹出‘频率特性扫描点设置’表，在该表中用户可根据自己的需要填入各个扫描点（本实验机选取的频率值f，以0.1Hz为分辨率），如需在特性曲线上直接标注显示某个扫描点的角频率ω、幅频特性L(ω)或相频特性φ(ω)，则可在该表的扫描点上小框内点击一下（打√）。确认后将弹出虚拟示波器的频率特性界面，点击开始，即可按‘频率特性扫描点设置’表规定的频率值，实现频率特性测试。

② 待实验机把闭环频率特性测试结束后，再在示波器界面左上角的红色‘开环’或‘闭环’字上双击，将在示波器界面上弹出‘开环／闭环’选择框，点击确定后，示波器界面左上角的红字，将变为‘开环’然后再在示波器界面下部‘频率特性’选择框点击（任一项），在示波器上将转为‘开环’频率特性显示界面。可点击界面下方的“频率特性”选择框中的任意一项进行切换，将显示被测系统的开环对数幅频、相频特性曲线（伯德图）和幅相曲线（奈奎斯特图）。

在‘开环’频率特性界面上，亦可转为‘闭环’频率特性显示界面，方法同上。

在频率特性显示界面的左上角，有红色‘开环’或‘闭环’字表示当前界面的显示状态。

图3-2-3的被测二阶系统的开环对数幅频曲线的实验结果见图3-2-5所示。

③ 显示该系统用户点取的频率点的ω、L、、Im、Re

实验机在测试频率特性结束后，将提示用户用鼠标直接在幅频或相频特性曲线的界面上点击所需增加的频率点（为了教育上的方便，本实验机选取的频率值f，以0.1Hz为分辨率，例如所选择的信号频率f值为4.19Hz，则被认为4.1 Hz送入到被测对象的输入端），实验机将会把鼠标点取的频率点的频率信号送入到被测对象的输入端，然后检测该频率的频率特性。检测完成后在界面上方显示该频率点的f、ω、L、、Im、Re相关数据，同时在曲线上打‘十字标记’。如果增添的频率点足够多，则特性曲线将成为近似光滑的曲线。

       鼠标在界面上移动时，在界面的左下角将会同步显示鼠标位置所选取的角频率ω值及幅值或相位值。

在软件安装目录\Aedk\LabACT\两阶频率特性数据表.txt中将列出所有测试到的频率点的开环L、、Im、Re等相关数据测量。注：该数据表不能自动更新，只能用‘关闭后再打开’的办法更新。

④ 幅值穿越频率ωc ，相位裕度γ的测试：

在开环对数幅频曲线中，用鼠标在曲线L(ω)=0 处点击一下，待检测完成后，就可以根据‘十字标记’测得系统的幅值穿越频率ωc ，见图3-2-5；同时还可在开环对数相频曲线上根据‘十字标记’测得该系统的相位裕度γ。实验结果可与式（3-2-3）和（3-2-4）的理论计算值进行比对。

注1：用户用鼠标只能在幅频或相频特性曲线的界面上点击所需增加的频率点，无法在幅相曲线的界面上点击所需增加的频率点。

图3-2-5   被测二阶开环系统的对数幅频曲线

三．实验报告要求：

按下表改变图3-2-4所示的实验被测系统。

改变开环增益K（A3）、惯性时间常数T（A3）、积分常数Ti（（A2），画出其系统模拟电路图，及开环频率特性曲线（对数幅频曲线、相频曲线和幅相曲线），並计算和测量系统的穿越频率及相位裕度，填入实验报告。