基于AD7715的可擴(kuò)展型高精度數(shù)字光功率計(jì)

0 引言
    光功率計(jì)作為一種測(cè)量光信號(hào)功率的精密儀器，被稱為光學(xué)中的萬用表，在當(dāng)代高速發(fā)展的光纖通信工程及其相關(guān)科學(xué)實(shí)驗(yàn)和教學(xué)中起著重要作用。它即可用在各類科研實(shí)驗(yàn)中測(cè)量光功率，判斷光信號(hào)的傳輸衰減與損耗，也可用于光纖通信工程中對(duì)光信號(hào)傳輸進(jìn)行檢測(cè)與判斷?，F(xiàn)今各類高等院校電子與通信類相關(guān)專業(yè)都開設(shè)了《光纖通信》課程，所以光功率計(jì)是一種必不可少的實(shí)驗(yàn)儀器。由于目前市場(chǎng)上沒有專門用于實(shí)驗(yàn)室教學(xué)的光功率計(jì)，學(xué)生在使用的過程中缺乏對(duì)該儀器原理及其構(gòu)造的了解。本文所介紹的數(shù)字光功率計(jì)技術(shù)先進(jìn)，不僅可用于實(shí)驗(yàn)室教學(xué)對(duì)光功率進(jìn)行測(cè)試，又可直接針對(duì)光功率計(jì)的相關(guān)電路進(jìn)行測(cè)試以及對(duì)部分電路進(jìn)行重新設(shè)計(jì)驗(yàn)證，從而讓學(xué)生在了解光功率計(jì)的工作原理的過程中提高實(shí)際動(dòng)手能力。同時(shí)也能滿足光纖工程應(yīng)用時(shí)對(duì)光功率計(jì)性價(jià)比、測(cè)量精度、使用穩(wěn)定性、操作靈活性、體積等方面要求，充分利用有限資源實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用的目的。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理圖
    硬件電路主要由光信號(hào)采集放大模塊、A／D轉(zhuǎn)換模塊、主控制模塊、顯示模塊及其他電路模塊共五大模塊組成，其原理框圖如圖l所示。為了增加儀器的測(cè)試范圍，在I／V電路中增加了由MCU控制的多路開關(guān)，實(shí)現(xiàn)大信號(hào)小放大、小信號(hào)大放大；為了增加測(cè)試精度而選用16位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7715作為AD轉(zhuǎn)換芯片。

2 主要電路模塊設(shè)計(jì)
2．1 光信號(hào)采集電路與濾波
    為了減小光電二極管的暗電流噪聲，光電二極管工作在光伏模式。系統(tǒng)中的光信號(hào)采集電路采用四路集成運(yùn)放對(duì)PIN探測(cè)器撲捉到的電信號(hào)進(jìn)行放大、I／V轉(zhuǎn)換、濾波和自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換控制。由于光電檢測(cè)器轉(zhuǎn)換的光電流很小且變化范圍較大，當(dāng)放大器增益固定時(shí)會(huì)出現(xiàn)小信號(hào)得不到有效放大而降低A／D轉(zhuǎn)換的精度。同時(shí)AD7715的模擬輸入端要求的電壓輸入必須限定在0~5V的范圍，這就要求根據(jù)光電流的大小適當(dāng)?shù)卣{(diào)整放大倍數(shù)。通過單片機(jī)對(duì)多路模擬開關(guān)的控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)量程選擇，電路如圖2。

濾波電路使用的是相關(guān)設(shè)計(jì)軟件所設(shè)計(jì)的巴特沃斯有源低通濾波器，該電路為可擴(kuò)展性電路：由一刀雙擲開關(guān)控制。當(dāng)用于工業(yè)測(cè)量使用時(shí)打開開關(guān)，此時(shí)系統(tǒng)使用固定濾波器；當(dāng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)閉合開關(guān)，學(xué)生自行設(shè)計(jì)濾波器以此來提高理論設(shè)計(jì)和實(shí)踐動(dòng)手能力，實(shí)驗(yàn)證明該方式能達(dá)到預(yù)期的目的，且對(duì)工程應(yīng)用時(shí)的精度影響很小，電路實(shí)現(xiàn)如圖3所示。

2．2 A／O轉(zhuǎn)換電路
    A／D轉(zhuǎn)換器是決定數(shù)字光功率計(jì)精度的主要因素，根據(jù)設(shè)計(jì)精度(±2％)和測(cè)量范圍(1nW～lOmW)的需要，選用16位串行高精度低功耗的A／D轉(zhuǎn)換器AD7715。該芯片是一款高檔多功能16位AD轉(zhuǎn)換器：極佳的靜態(tài)性能、16位無誤碼、±0．0015％精度和低rms噪聲(<550nV)。它只需要很少的外部元件就能構(gòu)成完整的信號(hào)采集電路，且理論上完成一次信號(hào)轉(zhuǎn)換的時(shí)間小于2ms。在實(shí)際電路應(yīng)用中，16位數(shù)字量輸出采取8位操作模式，即16位轉(zhuǎn)換數(shù)字量分兩次讀取，先讀取數(shù)據(jù)高8位，再讀取低8位。轉(zhuǎn)換開始后，當(dāng)DRDY端由低電位變?yōu)楦唠娢粫r(shí)即完成一次轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)通過DOUT端傳入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與控制，單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)結(jié)束后DRDY端恢復(fù)高電平等待下次轉(zhuǎn)換。A／D轉(zhuǎn)換電路圖如圖4。

2．3 主控及顯示電路
    主控顯示電路如圖5所示。系統(tǒng)采用STC89C516RD+單片機(jī)為主控制器，顯示單元以LCDl602A液晶顯示屏與單片機(jī)采用8位并行傳輸連接。LCDl602A的D0~~D7為8位雙向數(shù)據(jù)線，BLA背景燈電源供應(yīng)端，VL液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地電源時(shí)對(duì)比度最高，對(duì)比度過高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，電路通過一個(gè)電位器調(diào)整對(duì)比度。同時(shí)考慮到在工程實(shí)際應(yīng)用的時(shí)候，為方便工程人員使用，加上了背景燈控制開關(guān)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件采用了C語言進(jìn)行編程，主要有AD轉(zhuǎn)換設(shè)置、量程自動(dòng)選擇設(shè)置、按鍵選擇、數(shù)據(jù)處理及顯示設(shè)置五部分組成，其程序流程圖如圖6所示。

4 硬件與軟件減小誤差方法
    電路中的噪聲是影響光功率計(jì)誤差的主要因素。為了減小誤差，系統(tǒng)把InGaAs光電二極管工作在光伏模式，降低暗電流的影響；采用性能更好的濾波器和高精度電阻減小系統(tǒng)噪聲；采用電路板屏蔽層的減小電路噪聲；利用精度高的光檢測(cè)設(shè)備和萬用表提高測(cè)試精度和修正誤差。
    由于光電二極管的光電響應(yīng)曲線實(shí)際并不是嚴(yán)格的線性關(guān)系，這樣在程序的編寫上如果把光電二極管的響應(yīng)度設(shè)置成一個(gè)常量，就會(huì)產(chǎn)生誤差。在本設(shè)計(jì)的軟件編程中，采用了“函數(shù)補(bǔ)償法”，用來提高光功率計(jì)的測(cè)試精度?！昂瘮?shù)補(bǔ)償法”就是利用高精度的光功率計(jì)和萬用表，首先測(cè)試將要使用的光電二極管的光電響應(yīng)曲線，然后根據(jù)實(shí)際測(cè)試的情況把響應(yīng)度劃分為數(shù)段，用一個(gè)線性常量來描述總體響應(yīng)趨勢(shì)。通過數(shù)學(xué)計(jì)算，用一個(gè)非線性函數(shù)補(bǔ)償光電二極管的非線性響應(yīng)，使光檢測(cè)數(shù)據(jù)更加逼近實(shí)際的光電二極管的光電響應(yīng)曲線。

5 結(jié)束語
    通過實(shí)際教學(xué)和工程使用表明：該光功率計(jì)具有擴(kuò)展性好、精度高、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，非常適合學(xué)生對(duì)光測(cè)試設(shè)備電路的掌握，滿足高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的要求；同時(shí)本光功率計(jì)的設(shè)計(jì)方法和思路同樣適用于便攜式設(shè)備的設(shè)計(jì)原則，具有很高的理論參考意義和實(shí)際使用價(jià)值。