（信号与信息处理专业论文）基于c8051f单片机的光功率计的设计与实现.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 光纤由于其传输损耗小、传输容量大、抗干扰能力强等特点，已经作为数 字通信中的主要传输介质。随着数字通信的发展，光纤传输系统正投入运行，“八 五 期间，我国光纤通信技术已进入迅速发展阶段。然而任何科学领域的进步 都依赖于对被研究对象做出精确测量，光纤技术的进步也完全符合这一规律， 即：光纤测量技术和光纤测量仪器也必须同步发展起来，这导致的直接结果是 光功率计的需求量与日俱增。 目前国内所需的光功率计大多依靠进口，且国外光功率计价格贵，所需配 件品种多，使用操作也较复杂，而国内同类测试仪器存在价格偏高且测量精度 偏低等方面的不足；另一方面，随着微处理器技术的迅猛发展，以微处理器为 核心进行工作的智能仪器得到充分的发展。当光纤通信遇到了智能化测试，就 会引起测量控制仪表领域的一场新的技术革命。 本文首先对光功率计的组成原理进行了详细的分析，查阅大量资料并比较 国内外产品的性能和价格，然后根据生产的实际需要进行低成本研发工作。在 能满足生产的的要求基础上进行总体的设计规划，并给出各个电路的设计和说 明，包括光探测器的选择、放大滤波电路的设计、a d 转换、单片机控制、外围 电路的设计、液晶显示电路、按键电路等设计。在选择芯片方面，我们尽量做 到i c 集成化，因为集成i c 的整体功能更加稳定而且价格相对来说也比较便宜 最后是对系统的各个模块的软件进行编写，我们摒弃用汇编语言开发下位 机程序，而改用c 语言，这样使得开发效率更高和程序的可读性更强。其中有 下位机m c u 自身的初始化，下位机m c u 与外围芯片的通信，下位机与上位机 的通信，上位机程序的书写等。 关键词：单片机，智能仪表，光功率计 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t o p t i c a lf i b e rh a sb e e ns e e n a s s i g n i f i c a n tt r a n s m i s s i o nm e d i u mi nd i 西t a l c o m m u n i c a t i o nf i e l dd u et oi t sl o wl o s so fs i g n a l ，m o r ei n f o r m a t i o na d d e do n ，a sw e l l a s s t r o n gc a p a b i l i t y o fa n t i - i n t e r f e r e n c e w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fd i 百t a l c o m m u n i c a t i o n ，o p f i c a lf i b e rt r a n s m i s s i o ns y s t e mi sb e i n gp u ti n t oo p e r a t i o n i nt h e t i m eo f e i | 曲t hf i v ey e a r s ，t h et e c h n o l o g yo fo p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o nh a s e n t e r e das t a g eo fr a p i dd e v e l o p m e n t ，w h e n ，t h e r e f o r e ，r e q u i r e m e n t so fo p t i c a l m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g ya n do p t i c a lm e a s u d n gi n s t r u m e n t sm u s tb ed e v e l o p e d s i m u l t a n e o u s l y , a si nt h el a w ：a n yp r o g r e s si ns c i e n c ed e p e n d so nt h eo b j e c tb e i n g s t u d i e dt om a k ea c c u r a t em e a s u r e m e n t s o p t i c a lf i b e rt e c h n o l o g yi sf u l l yi nl i n ew i m t h ep r o g r e s so ft h el a w a tp r e s e n t , m o s to ft h er e q u i r e do p t i c a lp o w e rm e t e ri s r e l yo ni m p o r t s ，t h a t g e n e r a lp r i c eo ff o r e i g np o w e rm e t e ri se i t h e rv e r yh i g l lo rw i t hc o m p l e xo p e r a t i o no r l o t so fa c c e s s o r i e s ，c o m p a r e dt ot h ee x i s t e n c eo fs i m i l a rt e s t i n ge q u i p m e n ti nc o u n t r y w i t hh i g hp r i c e ，l e s sl o wm e a s u r e m e n ta c c u r a c y o nt h eo t h e rh a n d , w i lt h er a p i d d e v e l o p m e n to fm i c r o p r o c e s s o rt e c h n o l o g yt ot h em i c r o p r o c e s s o ra st h ec o r ew o r ko f t h ei n t e l l i g e n c ea p p a r a t u sh a sb e e nf u l l yd e v e l o p e d ，i n t e l l i g e n ti n s t r t m a e n t s 谢t l l p o w e r f u lc o n t r o la n dd a t ap r o c e s s i n gf u n c t i o n s ，a n d 砸mm e a s u r i n gi n s t r u m e n t si n a c h i e v i n gt h eo v e r a l la u t o m a t i o na n di m p r o v et h ep e r f o r m a n c e , e n h a n c ef u n c t i o n a l i t y a n di m p r o v et h ea c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t yo fm a j o rc h a n g e sh a v et a k e np l a c e w h e n t h eo p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o nm o e t 8i n t e l l i g e n tt e s t , an e wt e e l m o l o g i c a lr e v o l u t i o n w i l lb e g i n f i r s t y l ，w ea n a l y z e dt h o r o u g h l y t h e p r i n c i p l e o f o p t i c a lp o w e r m e t e r s y s t e m ，c o m p a r e dt os o m em e t e r sa b r o a da n da c c o r d i n gt ot h er e a lm a n u f a c t u r a i n e e d ，w ew i l ld os o m er e s e a r c h , i n c l u d i n gh o wt os e l e c to p t i c a ld e t e c t o ra n dh o wt o d e s i g nt h ea m p l i f i e rf i l t e r , a dc o n v e r s i o n ，m c us d e e t i o n ，l c d ，a n dk e yc i r c u i t ， h e r ew et r yt om a k et h ew h o l el o g i cc i r c u i tb e c o m eau n i tf o rt h es a k eo fs o l i dp o w e r a sw e l la sl o wc o s t 。 武汉理工大学硕士学位论文 a n df i n a l l y ，w er e f e rt ow r i t et h es o f t w a r ew i t hcl a n g u a g e ，w i mw h i c ht h e p r o g r a mi sm o r er e a d a b l ea n dw e c a n r a p i d l ys h o r t e nt h et i m ew e w r i t e ， r a t h e rt h a n a s s e m b l yl a n g u a g e 。t h e r ea leal o to fc o d e st ow r i t t e ni n c l u d i n gi n i t i a l i z a t i o no f m c u ，c o m m u n i c a t i o nw i t hp ca n ds oo n 。 k e yw o r d s ：m i c r o c o n t r o l l e r ，i n t e l i g e n ti n s t r u m e n t , o p t i c a lp o w e rm e t e r i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名：日期： 武汉理工大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 问题的提出及研究意义 近年来，光纤通信已成为通信领域发展中的最前沿，它不仅在军用，而且 在民用通信中也得到广泛应用。光纤通信系统的主要组件有【l 】： ( 1 ) 光缆：它由一根或多根光纤、或光纤束制成的符合光通信要求的线缆。 ( 2 ) 光源：通常是可见光或红外光，常用光源是发光二极管( l e d ) 和固体 激光器。其光信号可以被调制，以使模拟信号或数字信号加至该光源的光束上。 ( 3 ) 检测器：它位于接收端，可将光信号转换为电信号。常用的检测器有 p i n 光电二极管或雪崩光电二极管，p i n 光电二极管对低频信号有整流作用，但 对射频( i 心) 信号和微波信号只有阻抗作用，因此可用来对信号进行控制。加反偏 压或无偏压时，p i n 的阻抗都很高。加正偏压时，载流子注入中间层，阻抗迅速 变低。 ( 4 ) 连接口：光源到光缆的接口或光缆至检测器的接口都需要高效光学连 接器，否则连接处会产生很大的信号损失。 ( 5 ) 标准通信电路：它位于光源前部和光检测器后部。 。八五一期间，我国光纤通信技术已进入迅速发展阶段，而近两、三年来， 全国各省、市的有线电视系统又纷纷步入光纤传输。因此，光纤系统已担负起 通信和广播电视两大信息传递任务。光纤通信的惊人发展，要求光纤测量技术 和光纤测量仪器也必须同步发展起来。正如“任何科学领域的进步都依赖于对 被研究对象做出精确测量”一样，光纤技术的进步也完全符合这一规律，电子 测量仪器行业正面临着一个新的、广阔的市场【2 1 。 在整个光纤传输系统中，有源及无源部件如光发射机、光接收机、光接头、 光耦合器、光隔离器等的接入对系统的传输特性都有相当大的影响，为了使系 统达到应有的传输指标，必须对光缆、部件以及全系统进行一系列的检验和测 量。例如，就拿光纤来说，在铺设前后都必须作检验，查一下有否断裂处，测 量一下衰减变化。对于各部件而言，这些单元在安装进光纤系统后都会产生插 入损耗量而引起系统指标的改变，因此，应进行插入功率损耗等参数的测量。 武汉理工大学硕士学位论文 当然，更重要的还有全系统指标功率、功率衰减及信噪比等传输特性的测 量p j 。据预测，在领导下一代通信测试的各类测试仪器中，光测试仪器成为最有 潜力的仪器之一，光功率计正是诸多急待开发的光纤系统测量仪器中的常用的、 重要的基础设备【4 】。它是光通信和光纤传感等一些高新技术领域中测试光功率、 光衰减量必不可少的常用测量仪表。随着我国光纤应用技术的迅速发展，光功 率计的需求量与日俱增，特别是用于工程施工现场的便于携带、操作简便、性 能稳定的光功率计。 目前国内所需的光功率计大多依靠进口，国外光功率计价格普遍偏高，所 需配件品种多，使用操作也较复杂；而国内同类测试仪器存在价格偏高且测量 精度偏低的不足。 随着微电子技术的迅速发展，特别是单片机的出现和广泛应用，正在引起 测量控制仪表领域的一场新的技术革命，测量仪器的智能化已成为现代仪器仪 表发展的主要方向【5 1 。智能光功率计是指含有微型计算机( p c ) 或微处理器( 妒) ， 能对测量结果进行存储、运算处理及仪器本身能够按照人工的预先设置进行自 动操作的具有智能特性的光功率测量仪器，它可广泛地应用于光通信、光学实 验、激光医学、军事伪装及成像系统等方面。 本文针对光纤的各项测试的实际需要研制光功率计，主要是针对中低端用 户和生产，在满足一定的需求上提高测量精度同时又大大降低成本。 1 2 国内外研究现状 通信测试仪表作为尖端的高技术产品直接反映了一个国家的通信技术水 平，世界通信强国都具有很强的通信测试仪表的研发能力和全球推广能力据 美国f r o s t & s u l l i v a n 市场研究公司的统计，目前全球通信测试仪器年销售额已达 5 0 亿美元，并正在以两位数的速度增长。其中移动通信、数据传输、无线传输 及光纤网络测试产品增长最为迅速 6 1 。 在传输网测试领域，光纤测试仪表出现了巨大的市场潜力和发展空间，市 场容量超过1 0 亿元人民币。一些有实力的国际化大公司纷纷推出自己全系列的 光网络测试产品，其中具有代表性的有美国安捷伦a g i l e n t 公司的系列产品。 而对于光功率计作为光通信测试仪器最基础的设备，目前，在国内外有多 家公司制造了光功率计，国外以美国安捷伦a g i l e n t 公司、美国a v o 公司、日 2 武汉理工大学硕士学位论文 本安腾公司等作为代表；国内同样也有很多公司，如上海光维g r a n d w a y 公 司、天津德力d e v i s e r 公司、陕西硅谷通信公司、珠海华普公司、北京捷康特 公司等。 国内另外还有北京亚中仪器有限公司、北京恒光科技发展公司、深圳朗光 科技有限公司、中国电子科技集团公司第3 4 研究所等制造商。现将国内一些公 司的产品主要技术指标列成表格，如下表1 1 ： 表1 1 光功率计比较表 类型中心波长输出功短期稳定长期稳定度 ( n l l l )室d b m 度d bd b m 北京亚中便携式 1 3 1 0 1 5 、60 1o 5 ( 5 h ) 1 5 5 0 1 5 、( 1 5 r a i n ) 北京恒光掌上型1 3 1 0 2 0 、0 0 5o 1 5 ( 2 4 h ) 1 5 5 0 2 0 、 1 0( 1 h ) 8 5 0 2 0 、 1 3 0 0 2 0 、 深圳郎光台式 1 3 1 0 5 、 o0 0 0 5o 0 3 ( 8 h ) 1 5 5 0 5( 1 5 m i n ) 电子3 4 所台式 1 3 1 0 2 0 、00 0 0 50 0 5 ( 3 h ) 1 5 5 0 2 0( 1 5 m i n ) 通过市场价格来看，国外的进口产品大都在几万元左右，美国安捷伦a g i l e n t 公司的单通道功率计e 4 4 1 8 b 市场价达到3 8 9 0 0 元；国内产品价格也不便宜，如 陕西硅谷s g t - 3 c 0 1 便携式稳定光源市场价为9 8 0 0 元，就连便携式光功率计的 市场价格一般也在5 0 0 0 元左右，如珠海华普o t p 3 0 0 - t 便携式光功率计市场价 为6 3 8 0 元，对于功能稍微强一些的或者指标稍微好一点的产品甚至达到1 0 0 0 0 元以上。然而面对广阔的中低档产品市场需求空间，如实验室设备和一些中低 档产品用户等等，很有必要进行低成本的光功率计的研究，主要在保证性能指 标的同时从降低成本的方面来考虑。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 本文研究的主要内容 经过查阅大量的资料，本文在参考光功率计原理的理论基础上设计一光功 率计，其工作涉及器件的选型，主要电路的设计，以及各个模块之间的通信程 序的书写。 光功率计主要用于测量光信号的强弱，其内部原理如图1 1 所示，光探头就 是光敏感面面积较大( 直径为1 1 0m m ) 的半导体p i n 光电二极管，加上i 层的p n 结二极管可以提高探测灵敏度和响应速度【7 】。被测光通过光纤接口投射到光探头 的光敏面上时，半导体中的价带电子激发到导带，偏置电路中便会出现光电流， 通过负载电阻实现i 变换，此电压信号再经滤波放大后，最后由数字式显示器 显示。光电流的大小是随输入射光的强度变化的，也就是说负载上电压信号的 大小就反应了光强变化，所以显示器可以直接读出光功率的大小。 圈 图1 1 光功率计原理框图 光功率计的主要技术指标有测量灵敏度和测量精度。习惯上把灵敏度优于 7 5d b 的光功率计称为高灵敏度光功率计。在设计光功率计时，我们一般使它 配合构成的测量动态范围比被测线路的总损耗有1 2d b 以上的富余度。光功率计 的精度指标一般定为5 ，但是实际测量的准确度和重复性取决于探头连接器的 正确使用。这是因为测量时不允许光纤与探头的光敏面接触( 否则便会损坏探 头) ，而光纤与光敏面相离距离的远近又对进入光电二极管的光功率值十分敏感。 一般来说，高质量的光功率计都配有附件，保证被测光纤与光电二极管的光敏 面对正，且能重复地保持合适的距离。实际光功率计的读数是按已设计的配件 校准了的【8 】本次设计的光功率计的测量精度可达0 1 d b ( - 7 0 d b m + 1 0 d b m ) 和 0 0 5 d b ( - 5 0 d b m - 0 d b m ) ，经过实际的考察和出于成本的考虑，这样的指标在生 产中已经可以满足要求。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章光功率计的设计 2 1 光功率计的工作原理 目前光功率测量方法有两种，一种是热转换型方式，其原理是利用黑体吸 收光功率后温度的升高来计算光功率的大小，这种测量方法的优点是光谱响应 曲线平坦、准确度高，缺点是成本高，响应时间长；另一种是半导体光电检测 方式，一般被用来作为标准光功率计 9 1 ，本文也是采用这种检测方式。 本次数字光功率计的内部机构如图2 1 所示，将接收到的光信号投射在光探 测器的光敏面上并由光电转换电路将其转变为电流，再经过l 变换电路和放大 电路得到电压信号，然后把这个信号送到低通滤波器进行滤波及响应度补偿放 大，以得到与功率值相对应的电压，之后再将该电压经a d 转换，以得到表示 功率大小的数字量，最后通过c p u 进行数据处理和判断后，将数据送入l c d 显 示器进行功率显示或指示。以下章节将分别讲解各个电路部分的设计和实现。 图2 1数字光功率计工作原理图 5 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 光电转换电路设计 光探测器是接收光的关键器件，它的功能是把光信号转换为电信号。目前 常用的光检测器有p i n 光电二极管和雪崩光电二极管( a p d ) 2 1 1 光电二极管的工作原理 光电二极管( p d ) 把光信号转换为电信号的功能，是由半导体p n 结的光 电效应实现的【1 0 1 。在p n 结的界面上，由于电子和空穴的扩散运动，形成内部电 场。内部电场使电子和空穴与扩散运动方向相反的漂移运动，最终使能带发生 倾斜，在p n 结界面附近形成耗尽层。当入射光作用在p n 结时，如果光子的能 量大于或等于带隙( h 仑e g ) ，便发生受激吸收，即价带的电子吸收光子的能量 跃迁到导带形成光生电子一空穴对。在耗尽层，由于内部电场的作用，电子向n 区运动，空穴向p 区运动，形成漂移电流。在耗尽层两侧是没有电场的中性区， 由于热运动，部分光生电子和空穴通过扩散运动可能进入耗尽层，然后在电场 作用下，形成和漂移电流相同方向的扩散电流。漂移电流分量和扩散电流分量 的总和即为光生电流。当与p 层和n 层连接的电路开路时，便在两端产生电动 势，这种效应称为光电效应。当入射光变化时，光生电流随之作线性变化，从 而把光信号转换成电信号。这种由p n 结构成，在入射光作用下，由于受激吸收 过程产生的电子空穴对的运动，在闭合电路中形成光生电流的器件，就是简单 的光电二极管( p d ) 。 根据结构的不同，光电二极管可分为p n 结型、p 矾结型、雪崩型以及肖特 基结型光电二极管( a p d ) 11 j 。在光纤通信领域的应用中，为了克服光生载流子扩 散时间长的缺点，在p n 结间插入一层非掺杂或轻掺杂半导体材料，以增大耗尽 区宽度w ，达到减小扩散运动的影响，提高响应度的要求。由于p n 结中间插入 的半导体材料近似为本征半导体( i n t r i n s i c ) ，当管芯加上一定反向电压后，其耗 尽区便可在整个i 型层展开，亦即扩展了耗尽区，而光生载流子扩散区域则被压 缩，这种结构的光电二极管称为p i n 光电二极管。 适合于光纤通信系统应用的光检测器有p i n 光电二极管和雪崩光电二极管 ( a p d ) 。a p d 具有雪崩放大作用、响应度高，但附加噪声大、偏置电压高、温 度稳定性差、结构复杂且价格高。因此作为光功率检测的仪器一般采用p i n 光 电二极管作为光电转换器件，所以通用光功率计一般是采用p i n 光电二极管作 6 武汉理工大学硕士学位论文 为光探测器件的【5 1 。 2 1 2p i n 二极管的选择 目前使用的p i n 管主要有s i 、g e 、i n g a a s 等，覆盖了从7 5 0 r i m 到1 8 0 0 n m 的波长范围，而p i n 二极管型号的选择主要是根据所做光功率计的测量范围来 确定的。常用的p i n 二极管都是小信号工作器件，光敏面不合适【1 2 】，能接收的 光功率范围很有限，所以一般不用来做光功率计的探测器。而i n g a a s p i n 是一 种低噪声、高响应度的光电检测器，具有较高的测量灵敏度。当i n g a a s p i n 管 接收光输入后，位于价带中电子吸收了光子而跃迁到导带，因而可产生一个电 子空穴对。该电子空穴对若在耗尽区产生，那么在自建电场( p i 管一般采用零 偏压) 的作用下，电子将向n 区漂移，空穴向p 区漂移，从而产生与输入光功率 成正比的电流信号。i n g a a s p i n 的光响应度可达0 8 a w ，波长范围为 1 1 0 0 n m 1 7 0 0 n m 。故在本次设计上，基于暗电流、上升时间、带宽、偏置电压等 综合考虑，我们最终采用i n g a a s p i n t l 3 】。 表2 1s i 、g e 、i n g a a s p i n 光电二极管的通用工作特性参数 参数符号单位 s ig eh l g a a s 波长范围 九锄 4 0 0 , - - 11 0 08 0 帖1 6 5 0l l o o 1 7 0 0 响应度r阑 0 4 一旬6 0 4 - , , 0 5o 7 5 d 9 5 暗电流i dn al l o5 0 一5 0 0o 5 2 0 上升时间 仃m0 5 1 o0 1 , - 4 ) 50 0 5 旬5 带宽bg h z o 3 旬70 5 3 01 o 2 o 偏置电压v bv 55 一1 0 5 从表中可以得到，i n g a a s - p i n 用于长波长( 1 3 1 , t i n 和1 5 5 p a n ) 系统，性能 非常稳定，通常把它和使用场效应管( f e t ) 的前置放大器集成在同一基片上， 构成p i n f e t 接收组件，以进一步提高灵敏度，改善器件的性能。这种组件已 经得到广泛应用。新近研究的i n g a a s p i n 的特点是响应速度快，传输速率可达 到十几g b s ，适用于高速光纤通信领域【1 4 1 ，下图为p i n 光电二极管响应度与波 长的关系 7 武汉理工大学硕士学位论文 图2 2p i n 光电二极管响应度与波长的关系 3 放大滤波电路的设计 由于p i n 二极管产生的光电流很小，不能直接用于测量，所以需要通过适 当的低噪声放大后，再进行数据处理。光电探测器件往往都紧密连接一个低噪 声前置放大器，它的任务是：放大光电探测器件所输出的微弱电信号：匹配后 置处理电路与探测器件之间的阻抗。对前置放大器的要求是：低噪声、高增益、 低输出阻抗、足够的信号带宽和负载能力，以及良好的线性和抗干扰能力。在 结构上要求紧凑、靠近探测器件，良好的接地与屏蔽【l5 1 。低噪声前置放大器的 设计，同一般放大器设计的根本区别是首先满足放大器的噪声指标，因此要考 虑器件的选取和低噪声工作点的确立，还要满足信号源阻抗与放大器间的噪声 匹配；其次要考虑电路的组态、级联方式及负反馈等以满足对放大器增益、频 响、输入输出阻抗等方面的要求。 另外，为了获得良好的噪声性能、通常还要采取避免外来干扰的多种措施。 低噪声电路中，一般都选用金属膜电阻器和绕线电阻器，选用损耗较小的云母 电容和瓷介电容来降低噪声，在大容量电容中，选用漏电流很小的钽电解电容。 改多点接地为单点接地，这样就切断了地环流的干扰。通常在浮地端再用一个 1 1 0 k 的电阻或一小电容接地，以加强对空间电磁场的屏蔽效果。光电探测器对 于前置放大器的要求通常从两个方面考虑：一是要求功率传输最大，即放大器 的输入电阻等于光电探测器内阻，工作于匹配状态，此时在一定的入射光功率 情况下，从放大器输出端可得到最大输出电功率；其次，要求输出最小的噪声， 窖 武汉理工大学硕士学位论文 即放大器工作在最佳源电阻的情况下，此时在放大器输出端可得到最大的信噪 比。而在实际的光电探测系统中，最佳源电阻与匹配电阻往往是不相等的，有 的相差还很大【1 6 】。根据阻抗匹配及噪声要求，光电探测器通常常采用以下形式 的前置放大电路， ( 1 ) 低输入阻抗前置放大器 低输入阻抗前置放大器可采用变压器耦合、晶体管共基极电路、并联负反 馈及多个晶体管并联等作为放大器的输入级。此方案的优点是电路简单，不需 要或只需要很少的均衡，动态范围较大，缺点是灵敏度低，噪声较高。 ( 2 ) 高输入阻抗前置放大器 对于阻抗特别高的光电探测器，必须采用场效应管作为第一级输入电路， 此方案的优点是噪声较低，缺点是动态范围小、高频分量损失太大对均衡电路 提出很高要求 ( 3 ) 阻抗变换型放大电路( 电流电压转换器) 方案( 3 ) 频带宽( 等效输入电阻很小) 、低噪声( 反馈电阻可以取得很大) 、 灵敏度高、动态范围大等综合优点，被广泛采用。 由于p i n + 运算放大器动态范围太小，精度也不够高，故在本次设计中不予 采取；我们采用对数放大器，可以有很大的动态范围，同时又因为光功率的另 一个单位d b m w ( d b m w = 1 0 1 9 ( m w ) ) 的关系，就可以得到p i n 二级管的输入光功 率( p ) 和反偏电流( d 的另一个非常线性的关系。这种设计方案集成化高，性能可 靠，便于调试和校准。所以本此设计采用第三种放大电路，p i n 管+ 对数放大器 方案。 众所周知，对数比放大器输入和输出呈对数关系，这样输入信号的动态范 围可以很大。宽动态范围信号经过压缩之后，使用较低分辨率的测量电路既可 实现信号精确测型1 。7 1 。假设输入信号范围从1m v - 1 0v ，要求在lm v 时的分辨 率为l ，为保证精度则在l v 时分辨率就是0 0 0 1 。如果采用线性放大器，要 求使用1 7 位数模转换器。但是，如果采用对数比放大器，其输入动态范围为3 个数量级，信号的分辨率保持l ，则模数转换器用1 2 位就可以了。此外，电 路采用对数比放大器，不用切换量程，避免了换档误差，使得测量精度有很大 的提高。在本次设计中我们采用a d 8 3 0 4 芯片，下面是a d 8 3 0 4 的内部原理图【1 8 j ： 9 武汉理工大学硕士学位论文 v f 鼍嚏p 帅拍 v p 宣一 v l o a 日f n b f m a 图2 3a d 8 3 0 4 内部原理图 它是一款动态范围为8 0d b 的对数比放大器，有专门的光电二极管接口，由 内部提供光电二极管的偏置电压，使用方便。a d 8 3 0 4 内部集成了温度补偿电路， 提高了转换精度。其工作电压为3 5 5v 。从功能上分，a d 8 3 0 4 内部由两部分组 成：对数比转换器和线性运算放大器。由于光电二极管输入的是微小的电流信 号，对数比放大器完成电流到电压的对数比转换。在5v 电压时最大输出电压 为5v 。为了适应不同的a d 转换输入电压的要求，运算放大器作为缓冲级来调 节这一电压值，以便最大限度地利用1 6b a d 转换的精度。由对数放大器输入和 输出关系可以得到： 矿耐= 尺l l gl 等i 。 沼d i ，d=pp p d ( 2 2 ) 式中：是a d 8 3 1 m 输出电压；是光电二极管输出的电流；t 是光电 二极管截止电流，一般为常数；k 。和c l 是常数，由芯片外部所接电阻网络决定： p 是光电二极管的响应度；是输入的光功率值。将( 2 2 ) 式代入( 2 - 1 ) 式 可得： p=k 2v删+c2 ( 2 - 3 ) 式中： 肛g ；k2 = 告讪k 争 警 l o 武汉理工大学硕士学位论文 可以看到，当( 2 - 3 ) 式中单位取m w 时，( 2 3 ) 式p 的单位即为d b m 。 而且式子中k ：和g 是常数，所以输出电压值和被测功率值p ( 以d b m 表示) 就成为简单的线性对应关系。这样避免了繁琐的对数运算，使得后继的程序处 理和结果计算就变得简单了，以下是部分设计的电路图： 图2 _ 4a d 8 3 0 4 对数放大器设计图 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 单片机控制部分 单片机由于具有功能强、体积小、功耗低、价格便宜、共组可靠、使用方 便等特点被广泛应用于监控技术并使得工业生产更加现代化。 c 8 0 5 1 f 0 2 x 系列器件使用s i l i c o nl a b s 的专利c i p 5 1 微控制器内核。c i p 5 1 与m c s 5 1 t m 指令集完全兼容，可以使用标准8 0 3 x 8 0 5 x 的汇编器和编译器进 行软件开发。c i p 5 1 内核具有标准8 0 5 2 的所有外设部件，包括5 个1 6 位的计 数器定时器、两个全双工u a r t 、2 5 6 字节内部r a m 、1 2 8 字节特殊功能寄存 器( s f r ) 地址空间及8 4 个字节宽的v o 端1 ：3 t 1 9 1 。 下面列出了一些在本次设计中用到的主要特性，更具体的细节请参见有关 某一产品的具体资料： ( 1 ) 高速、流水线结构的8 0 5 1 兼容的c i p 5 1 内核( 可达2 5 m i p s ) ( 2 ) 全速、非侵入式的在系统调试接口( 片内) ( 3 ) 真正1 2 位( c 8 0 5 l f 0 2 0 1 ) a d c ，带p g a 和模拟多路开关 ( 4 ) 具有可编程数据更新方式6 4 k 字节可在系统编程的f l a s h 存储器 ( 5 ) 4 3 5 2 ( 4 0 9 6 + 2 5 6 ) 字节的片内r a m ( 6 ) 可寻址6 4 k 字节地址空间的外部数据存储器接口 ( 7 ) 硬件实现的s p i 、s m b u s i i c 和两个u a r t 串行接口 ( 8 ) 5 个通用的1 6 位定时器 ( 9 ) 具有5 个捕扭比较模块的可编程计数器定时器阵列 ( 1 0 ) 片内看门狗定时器、v d d 监视器和温度传感器 该m c u 都可在工业温度范围( 4 5 - + 8 5 ) 内用2 7 v - 3 6 v 的电压工作 端口i o 、r s t 和j t a g 引脚都容许5 v 的输入信号电压 2 4 1 复位电路设计 任何微机都是通过可靠复位之后才开始有序执行应用程序的，所以系统复 位电路的设计至关重要【捌。单片机复位电路的结构并不复杂，且参考电路的形 式较多，以下图最基本的r c 复位电路来说明在本次设计中用到的复位电路。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 图2 5 基本复位电路 该电路为低电平复位，s 为手动复位开关，c 可避免高频谐波对电路的干 扰。从理论上说，5 1 系列单片机复位引脚只要外加两个机器周期的有效信号即 可复位，即只要保证t = r c 2 m ( m 为机器周期) 便可【2 0 j 。但在实际设计中，通常c 取值为l o u f 以上，忌通常取值l o k 左右。实践发现，尼如果取值太小，则会 导致r s t 信号驱动能力变差而无法使系统可靠复位。 该电路还存在电源毛刺和电源缓慢下降( 电压不足) 等问题，而且调整r c 常 数改变延时会令驱动能力变差，所以在设计复位电路时，既要保证整个应用系 统的可靠复位，又要考虑复位电路应具有较好的抗干扰能力。所以我们可以在 复位电路增加续流二极管d l ，如下图2 - 6 ，对于改善复位性能，起到了重要作用。 2 4 2 晶振电路 图2 - 6 增加放回路的r c 复位电路 每个m c u 都有一个内部振荡器和一个外部振荡器驱动电路，外部振荡器需 要一个外部谐振器、并行方式的晶体、电容或r c 网络连接到x t a l l x t a l 2 引 武汉理丁大学硕+ 学位论文 脚( 见图2 7 ) ，以下是本次设计的外部震荡电路 2 43 a d 转换电路 2 7 外部震荡电路 由于c 8 0 5 i f 0 2 0 的a d c 0 子系统包括一个9 通道的可编程模拟多路选择器 ( a m u x 0 ) ，一个可编程增益放大器( p g a 0 ) 和一个1 0 0 k s p s 、1 2 位分辨率的 逐次逼近寄存器型a d c ，a d c 中集成了跟踪保持电路和可编程窗口检测器( 见 图2 - 8 的原理框图【2 2 】) 。 7 而丽雨 广丽丽订目蕊矸厂蕊研 ii - i n 7 图2 - 8a d c 0 内部原理框图 a m u x 0 、p g a 0 、数据转换方式及窗口检测器都可用软件控制特殊功能寄 存器来控制。a d c 0 所使用的电压基准按“9 x 电压基准( c 8 0 5 i f 0 2 0 ) ”或“1 0x 1 4 武汉理_ 丁大学硕十学位论文 电压基准”选样。在本设计中，v r e f 采用a d 8 3 0 4 内部输出的v r e f ，伏值为 20 v 。 2 44 与e e p r o m 通信的总线接口s m b u s s m b u s 0i o 接1 2 是一个双线的双向串行总线，s m b u s 0 完全符合系统管理 总线规范1 1 版，与p c 串行总线兼容瞄】。 系统控制器对总线的读写操作都是以字节为单位的，由s m b u s 接口自动控 制数据的串行传输1 2 4 1 。s m b u s 0 可以工作在主和或从方式，s m b u s 0 提供了 s d a ( 串行数据) 控制、s c l ( 串行时钟) 产牛和同步、仲裁逻辑以及起始停 止的控制和产生电路。有三个与之相关的特殊功能寄存器：配置寄存器s m b o c f 、 控制寄存器s m b o c n 及用于发送和接收数据的数据寄存器s m b o d a t 。 图2 - 9s m b u s 0 接口电路 图2 一l o 给出了一个典型的s m b u s 配置。s m b u s 0 接口的工作电压可以在 3 0 v 和5 0 v 之间，总线上不同器件的工作电压可以不同。s c l ( 串行时钟) 和 s d a ( 串行数据) 线是双向的，必须通过一个上拉电阻或类似电路将它们连到 电源电压。连接在总线上的每个器件的s c l 和s d a 都必须是漏极开路或集电极 开路的，因此当总线空闲时，这两条线都被拉到高电平。 武汉理工大学硕士学位论文 v = 5 vv d d = wv d d = 吖v = w 2 4 5 电源部分 图2 1 0 典型的s m b u s 配置 s d s c l 交流电2 2 0 v 经变压、整流、滤波后得到直流电1 5 v ，然后通过d c d c 变 换电路将直流电变为所需要的1 2 v ，1 2 v 除了给恒压控制回路和限流控制回路供 电外，还经过d c d c 变换器得到5 v 直流电，5 v 直流电给单片机模块供电i 捌。 删 图2 1 2 电源设计电路图 整流电路的任务是将交流电变换成直流电，这里采用的是桥式整流电路。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，在此选用的是由电容、电感组合而 成的复式滤波电路。由于电抗元件在电路中有储能作用，故电容、电感具有平 波作用【2 7 1 。 本次设计的电源系统最终要求实时输出我们想要的电压，故我们需要电压 稳定的直流供电系统。本系统是将2 2 0 v 的交流电分别变为+ s v 单片机最小系统) 和+ 1 2 v ( 稳压、限流控制模块) 的直流电压【2 6 1 。 至此，与单片机控制相关的电路部分已经设计完毕，以下将进行外围电路 设计。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 3 11 2 c 总线部分 第3 章外围电路设计 1 2 c 总线是由p h i l i p s 公司提出的串行通信接口标准，该标准近年来在微电子 通信控制领域被广泛采用。1 2 c 总线是一种同步通信方式，采用两线式串行总线， 一条为串行数据线( s d a ) ，另一条为串行时钟线( s c l ) 。总线空闲时，两条线 均为高电平，不需加任何附加电路就可以实现多个器件的总线互连，但要求连 接到总线上的器件输出端必须是集电极开路或漏极开路【2 蚋。 3 1 11 2 c 总线的硬件接口电路 在本次设计中主器件为单片微控制器，每一个i 2 c 总线上的从器件都有唯一 的地址，主从器件开始通讯前，主器件先下发从器件的地址，得到从器件的确 认应答后再开始发送或接收有效数据；不是本器件的地址，将不响应数据线上 的任何信息，这样就可以按要求有选择地实现通讯。 3 1 21 2 c 总线的通讯数据格式 i 2 c 总线在硬件基础上，总线上数据传输的通讯格式按照主器件接收和主器 件发送数据两种情况，如表3 1 和表3 2 【2 9 】： 表3 1 读操作时序 h o s tsmlrns tsseat abbaco tdkp r l0l0oo0lox x xxx xx x l d e v i c eam l css kbb d a t a w o r d 专 武汉理工大学硕士学位论文 表3 - 2 写操作时序 hsml矾mlmls otssrsssst sabbibbbbo t r tp t e l0l0 0 0 0 o 0xxxx xxx xoxx) (xxxxxo daaa eccc vkkk i c e 3 1 31 2 c 总线控制时序 1 2 c 总线上数据通讯能否井然有序，主要取决于总线上的时序是否符合1 2 c 总线的要求。1 2 c 总线对时序的要求十分严格，只要时序合理，传输误码率极 低数据传输时序如图3 1 所示 叭二二二二 二二二 s 吼、厂、 图3 1i i c 总线控制时序 一个标准的1 2 c 总线通讯过程由四个部分组成：申请总线、建立通讯途径、 数据传输过程和释放总线，这主要体现在软件编程方面，具体程序流程请参见 本文第四章。 3 22 4 系列串行e e p r o m 与m c u 接口电路设计 自p h i l i p s 公司提出i 2 c 总线后，相继推出了许多的1 2 c 总线产品，从各种外 围器件如a d 、d a 转换器到e 2 p r o m 、微处理器等，并且现在也有其它公司推 出了许多支持i ：c 总线接口的产品。 2 4 c 系列串行e 2 p r o m 是与i 2 c 总线兼容的器件，可以工作在1 0 0 k h z 和 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 4 0 0 k h z 两种模式下。由于许多微处理器没有提供专门的1 2 c 总线接口部件，因 此要实现与2 4