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摘要 摘要 光功率计、稳定化光源是光纤通讯领域中使用最广泛的两种仪表。在几乎所有的光纤通讯的测 量中都要用到。光功率计是用来测量光功率大小的一种仪表。稳定化光源能提供稳定的波长、窄而 稳定的谱宽，以及在一定条件下有稳定的光功率输出。其种类繁多，大体上可分为两类：从外型尺 寸及大小可分为台式及便携式。前者多用于实验室、机房内使用，后者既可在室内使用，又可在施 工现场使用：从功能上也可分为两类：普通式和智能化式。两者的区别在于智能化光功率计内有微 机系统，具有数据存储、数据处理、波长校正、平均值显示以及自动调档和调零等功能，而且测量 精度也较高。我们综合考虑了便携式应用范围广的优点，又考虑到智能化式的高性能。设计了一款 兼具便携式和智能化式优点的光功率计和稳定化光源。 本文详细讨论了光功率计和稳定化光源的设计实现。在光功率计的设计中分析了光检测器的放 大电路，调制波检波电路，a d 转换电路等电路的特点，及其具体电路实现。在稳定化光源的设计 中分析了l d 激光器的驱动电路，自动功率控制电路的特点，及其具体电路实现。电源电路、l e d 显示电路、e 2 p r o m 存储电路作为两个仪器共用的电路也一并在稳定化光源的设计中予以分析设计。 同时文中还对两个的软件功能予以介绍，并给出了软件的流程图。 关键词：光功率计，稳定化光源，l d ，光检测器 堂型 a b s t r a c t o p t i c a lp o w e rm e t e ra n ds t e a d yl a s e rh g h ts o u i c 2a r ct h et w om o s te x t e n s i v e l yu s e de q u i p m e n t si n o p t i c a l f i b e fc o m m u n i c a t i o n s t h e ya r eu s e di na l m o s ta l lk i n d so fm e a s u r e m e n ti n o p t i c a lf i b e l - c o m m u n i c a t i o n s o p t i c a lp o w e rm e t e rp r o v i d e so p t i c a lp o w e rm e a s u r e m e n t , w h i l es t e a d yl a s e ru g h ts o u r c e s u p p l i e ss t e a d yw a v e l e n g t h , n a l f o wa n ds t e a d ys p e c t r a lw i d t ha n dp r o d u c e ss t e a d yo p t i c a lp o w e ru n d e r c e r t a i nc o n d i t i o n s a l t h o u g ht h e r ea r em a n yk i n d so ft h e s et w oe q u i p m e n t s ，t h e yc a nb eb r o a d l yd i v i d e d i n t ot w om a i nc a t e g o r i e s ：d e s k t o po n e sa n dp o r t a b l eo n e sd e p e n d i n go nt h e i rs i z e i 色ef o r m e ri so f t e nu s e d i nl a b o r a t o r i e sa n de q u i p m e n tr o o m s ；t h el a t t e rc a nb eu s e db e t hi n d o o r sa n do u t d o o r s h o w e v e ri ta l s oc a l l b cc a t e g o r i z e di n t or e g u l a ro u e sa n di n t e l l i g e n to n e si nt e r m so ft h e i rf u n c t i o n s 皿cm a j o rd i f f e r e n c e b e t w e e nt h e mi st h a tt h ei n t e l l i g e n to n e sh a v em i c r oc o m p u t e rs y s t e mi n s i d e , h e n c ei ti sc a p a b l eo fs t o r i n g a n dp r o c e s s i n gd a t a ，w a v e l e n g t hc o r r e c t i o n ，d i s p l a y i n ga v e r a g ev a l u e ，a u t od o w ns h i f ta n dz e r oa d j u s t m e n t s a sw e l la ss o m eo t h e rf u n c t i o n sw i 血b e t t e ra c c u r a c i e s t h ea u t h o rd e s i g n e dap a i ro fo p t i c a lp o w e r m a t e ra n ds t e a d yl a s e rl i g h ts o u r c ec o m b i n i n gt h ep o r t a b l e s a d v a n t a g eo fw i d e l yu s a g eu n d e rv a r i o u s c i r c u m s t a n c e sa n ds u p e r i o rc a p a b i l i t i e so f i n t e l l i g e n to u e s t i l i sa r t i c l e d i s c u s s e s t h e d e s i g n o f o p t i c a l p o w e r m e t e r a n ds t e a d y l a s e r l i g h ts o u r c e i n d e t a i l s i t a n a l y z e s t h es p e c i a l t i e so fa m p l i f y i n gc i r c u i to fo p t i c a ld e t e c t o r , m o d u l a t i n gw a v e m e t e c t i n gc i r c u i t , a i ) t r a n s f e r c i r c u i ti no p t i c a lp o w e rm e t e rd e s i g na n dt h e i rr e a l i z a t i o ni nr e a lc i r c u i t i nt h ed i s c u s s i o no fs t e a d yl a s e r l i g h ts o u r c ed e s i g n , t h ea r t i c l ee x p l o r e st h es p e c i a l t i e so f t h ed r i v ec i r c u i to f l do p t i c a lm a s e r , a u t op o w e r c o n t r o lc i r c u i t , a n dr e a l i z a t i o ni nt h er e a lc i r c u i t t h ea r t i c l ea l s oi n c l u d e st h ed i s c u s s i o no ft h ep o w e r c i r c u i t , t h ed r i v ec i r c u i to fl c dd i s ；p l a y , t h em e m o r yc i r c u i to fe 2 p r o m ，u s e di nb o t ht w oi n s t r u m e n t s ，i n t h ed e s i g na n a l y s i so fs t e a d yl a s e rl i g h ts o u r c e a tt h es a m et i m e ，i ti n t r o d u c e st h es o f t w a r e sf u n c t i o u so f b l o we q u i p m e n t sa n dg i v e st h es o r w a r cf l o wc h a r ta sw e l l k e yw o r d s ：o p t i c a lp o w e r m e t e r ，s t e a d yl a s e rl i g h ts o u r c e ，l d ，o p t i c a l d e t e c t o r 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，也不包含为获得东南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。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 研究生签名： 导论 导论 光纤通讯是2 0 世纪7 0 年代问世的通信新技术，它采用光波作为信息载体，并采用光导纤维作 为传输介质。这种通信方式以其巨大的可用带宽和极低的传输损耗，在问世后不久便取代了铜缆， 成为有线信道的最主要传输方式。目前个覆盖全球的光纤通讯网以建立起来，光纤不仅在长途干 线网、区域网中已完全取代了铜缆，而且己深入居民区、大楼、办公室、乃至偏远的乡村，可以毫 不夸张的说光纤通讯无处不在。 1 9 6 6 年。被称为“光通信之父”的英籍华人高锟博士发表了具有开创性和奠基性的论文光频 率的介质纤维表面波导，指出实现长距离、大容量传输，介质纤维所必须的结构和材料特性。此后， 人们对石英玻璃纤维以及其它玻璃纤维进行了广泛的研究，于1 9 7 0 年实现了参杂石英光纤2 0 d b k m 的低衰耗。在此后的两三年间，研制出了在8 0 0 - 9 0 0 h m 波段有最低损耗大约在5 d b k m 的实用光纤。 这也使得8 0 0 - 9 0 0 h m 波段成为早期光纤通讯的唯一应用窗口。这个区域即所谓的光纤第一窗口。通 过降低光纤材料中氢氧根离子和金属离子的含量，2 0 世纪8 0 年代已经可以制造在l l o o n m 到1 6 0 0 h m 范围内损耗极低的光纤。这个波长区称为长波长区。在这个区域中有两个低损耗窗口：即第二窗口， 其中心波长在1 3 1 0 r i m ，其损耗大约在0 3 d b k m ；第三窗口，其中心波长为1 5 5 0 r i m ，其损耗大约在 0 2 d b k i n 。由于第二和第三窗口的损耗远低于第一窗口，所以现在主要的光纤通信系统都工作在第 二或第三窗口。 在我国实际的光纤通讯系统中，系统发送的平均光功率即光端机发射出的入纤平均光功率p 。 虽然我们希望它越大越好。但实际上光源的尾纤输出功率都比较低，单模光纤耦合的激光器一般l m w 左右( 1 3 i 】i ) ，而发光管仅6 u w 左右。1 5 5 u m 波长则更小。对5 6 5 帖s 的1 3 u m 和1 5 5 u m 波长， 采用r z 信号调制时，平均发送功率可以有三档：p - 3 d b m ；- 6 d b m ；一9 d b m 。光缆通信系统接受机 的灵敏度是指在一定的误码率情况下，接受机所能接收到的最小平均光功率s ，。一定的误码率是指： 对于数字段为5 0 k m ，2 8 0 k m 的系统应为l x l 0 一，而对于设备( 单机) 多数应为l x l 0 1 0 ，个别是l x l 0 1 1 。 误码率大小受多种因素制约，与探测器性能、前置放大器性能、码速、光波形、消光比以及线码码 型等有关。灵敏度越小说明对微弱光信号的检测能力越强，则灵敏度指标越好。在给定误码率情况 下，我国实用的光接收机的灵敏度在不同传输速率下从一5 3 2 d b m 到_ 2 4 9 d b i n 不等。 在光纤通讯系统中，对光纤衰耗的测量十分重要。它是检验光纤系统能否达到使用要求的重要 依据。光在光纤中的衰耗原因很多，而对于实际应用者最关心的是光纤的总衰耗及其测试方法。 首先定义衰耗，光波长为 的光沿光纤传输距离l 的衰减a ( ) 定义为： a ( ) = 1 0 1 9 p ，p 2 ( d b ) ( i ) 其中p - 和p 2 分别是注入端和输出端的光功率。 对于一根均匀的光纤，其单位长度( 1 k m ) 的衰减定义为衰减系数，以n ( ) 表示，即 d ( ) = a ( ) l = ( 1 0 l ) l g p p z ( d b k m ) ( 1 i ) 光纤衰耗有以下几种测量方法： ( 1 )差值法。此法又称两点法或切断法。这种方法是严格按照建立起的测试方法，测量精度高， 是一种标准测试方法。首先测量整根光纤长度的输出光功率p 2 然后在保持注入条件不变的 情况下，在离注入端2 m - 3 m 处切断光纤，并测量这段光纤的输出功率作为整个光纤的输入 功率p l ，将p 1 、p 2 和l 值代入( 1 1 ) 式即可求得衰减系数。此测量方法是公认得基准方法， 操作也十分简便，在保持注入光光强和波长不变得情况下，具有很高的测量精度。但此方法 不适合在工程中应用。 ( 2 )光时域反射法( 即背向散射法) 。这是一种多功能的测量方法，可测量光纤的衰耗、衰耗沿 光纤轴向的分布，故障点定位，以及光纤长度等。它是利用光纤的一端作为输入输出口。给 导论 光纤输入一个很窄的光脉冲，经光纤内部的反射和散射，少部分光反向传播回来。返回的脉 冲序列形成一个包络脉冲，在同个输入端被接收，并加以分析。这种测量方法是无损的， 而且一般有较好的重复性。须指出，背向散射法测量光纤损耗时，对于均匀光纤来说测量结 果已是相当精确，但对于接头多、缺陷多的光纤来说应小心从事可能有误差。此外，由于 无法控制背向散射光的模式分布，也会带来测量误差。 ( 3 ) 插入衰耗法。具体做法有两种，一是将被测光纤用活动连接器与一根已知光输出的固定光线 连在一起。假定光功率完全耦合进入第二根光纤( 除去连接器损耗) ，只需测出输出端的功 率就可得到被测光纤的衰耗。另一种做法是将光纤插入收发端设备之间进行测量。插入损耗 法具有装置简单操作方便，直观无损的优点，但因光源稳定性和更换测试系统部件而使得 测量精度较差。 由于插入衰耗法具有的诸多优点，使得其在光纤通讯工程中被大量采用。为了提高其测量精度 就很有必要研制一套稳定化光源和光功率计配套使用的仪表，来方便、快捷、准确的测量光纤的衰 耗。 2 东南大学硕士学位论文光源与光功率计组件的研制 第一章光功率计的硬件设计 稳定化光源、光功率计是光纤通讯领域中使用最广泛的两种种仪表。在几乎所有的光纤通讯的 测量中都要用到。稳定化光源在光纤测量中象电子电路测试时用的信号源一样，必须要求发出波长 与功率高稳定的光信号。光功率计是用来测量光功率大小的一种仪表。其种类繁多。大体上可分为 两类：从外型尺寸及大小可分为台式及便携式。前者多用于实验室、机房内使用，后者既可在室内 使用，又可在施工现场使用：从功能上也可分为两类：普通式和智能化式。两者的区别在于智能化 光功率计内有微机系统，具有数据存储、数据处理、波长校正、平均值显示以及自动调档和调零等 功能，而且测量精度也较高。我们综合考虑了便携式应用范围广的优点，又考虑到智能化式的高性 能。因此决定设计一款兼具便携式和智能化式优点的稳定化光源和光功率计的组合，必然有广大的 市场前景。 在实际工程测量中，由于光缆已经铺好，且两端相距较远，因此为了区分不同的光路，我们在 稳定化光源上加上了不同频率的调制光，在接收端光功率计通过检出该调制波即可区分不同的光路。 调制光的频率定为为2 7 0 ，3 3 0 ，5 5 0 1 0 0 0 ，2 0 0 0 h z 的占空比为5 0 的光波。所有发光状态均由按 键控制自由选择并在液晶上显示出来。其中3 3 0 h z 的调制波表示输入光纤的激光波长为1 3 1 0 h m ， 5 5 0 h z 的调制波表示输入光纤的激光波长为1 5 5 0 a m 。在光功率计中设计了一个自动模式。在该模式 下通过检测调制波是否是3 3 0 或5 5 0 h z 来自动调整光功率计的测量工作波长。在其它模式下则显示 出所检测到的调制波的频率。 一个光功率计的优劣可以从以下几个指标衡量： ( 1 ) 工作波长。工作波长范围越宽则适应性能越强。光纤通讯中用的光纤最主要的特性之 一就是波长与损耗的关系。早期的技术导致8 0 0 - 9 0 0 a m 波段成为唯一的应用窗口， 早期制造的光纤在这个区域有局部的最小损耗。这个区域即所谓的光纤第一窗口，其 损耗大约在5 d b l a n 。通过降低光纤材料中氢氧根离子和金属离子的含量，2 0 世纪8 0 年代已经可以制造在1 1 0 0 m n 到1 6 0 0 a m 范围内损耗极低的光纤，这个波长区称为长 波长区。在这个区域中有两个低损耗窗口：即第二窗口，其中心波长在1 3 1 0 h m ，其 损耗大约在0 3 r i b k i n ；第三窗口，其中心波长为1 5 5 0 n m ，其损耗大约在0 2 d b k m 。 由于第二和第三窗口的损耗远低于第一窗口，所以现在主要的光纤通信系统都工作在 第二或第三窗口。因此我们的光功率计波长必须覆盖这两个主要窗口。 ( 2 )光功率的测量范围要宽而且精度要高。这个问题是由探测器的灵敏度和主机的动态范 围所决定的。由于光纤通讯系统中光信号有时很微弱，所以光功率计的可测下限越小 越好，由于现在通讯系统中接收机的灵敏度最小可达- 5 0 多d b m ，因此我们将光功率 计下限定为- 6 5d b m ；而光功率计的可测上限则是越大越好，不过对于一般的光纤通 讯系统测量的应用l o m w 也就可以了。 ( 3 ) 测量误差和换档误差应很小，一般应分别小于5 和3 。 ( 4 ) 显示方式，一般为四位数字显示d b m d b 。 ( 5 ) 具有自动换档、自动调零以及过、欠量程显示，同时还能自校。 光功率计设计指标及功能总结如下： 工作波长：1 3 1 0 n m 、1 5 5 0 n m 校准误差：0 2 d b ( 5 ) ( 幢0 3 ，相对湿度4 5 7 5 ) 总不确定度：0 5 d b 0 2 n w 功率范围：- 6 5d b m + 1 0d b m 3 第一章光功率计的硬件设计 量程及分辨力 w 显示：0 1 1 d b m 显示：0 o ld b m d b 显示：0 叭d b 光功率计的工作原理图如下： 在光纤通讯。光纤传感，光电子计量，光纤测试等部门经常要使用标准光源。这种光源必须具 有稳定的波长、窄而稳定的谱宽。以及在一定条件下有稳定的光功率输出。这就是稳定化光源的含 义。稳定化光源主要是用来保证测量的准确性和精度。 众所周知，几乎是所有的光源都是不稳定的即使是激光器光源也是这样。为了获得上述稳定 化光源，一般都要采取一些措施。设法使其有稳定的输出特性。由于半导体激光器具有独特的优点， 如体积小，重量轻、可以直接调制、功耗小等而经常被采用。 由于光纤中的低损耗窗口中心波长分别为1 3 1 0 h m 和1 5 5 0 h m 所以现代光纤通讯系统主要工作 在这两个波长区域。为了适应现代光纤通讯光纤测试部门的需求，我们将稳定化光源设计成既能 输出1 3 1 0 n m 的激光，又能输出1 5 5 0 h m 的激光，也可同时输出这两种激光。 市场上已有产品的主要技术指标为： 1 3 1 0 r m 2 0 a r a 工作波长 1 5 5 0 m 2 0 n m 7 n m l f s o n m 频谱宽度 7 r a n 1 3 l o n m 功率短期稳定1 5 m i n 一1 0 一+ 5 5 ：0 0 2 d b 8 h 一1 0 一+ 5 5 ： 功率长期稳定 0 2 d b 参考现有产品的指标我们制定了我们研制的稳定化光源的技术要求 1 环境条件适应性 工作温度：0 4 0 ： 相对湿度：4 0 c2 0 9 0 r h ： 气压：8 6 k p a 1 0 6 k p a ： 4 东南大学硕士学位论文 光源与光功率计组件的研制 直流电源：2 节5 # 碱性电池 2 技术指标 工作波长：1 3 1 0 r i m 2 0 r m 1 5 5 0 n m 2 0 n m c w 模式下输出光功率( 9 1 2 5 u m ) ： 一3 d b m 谱宽： 5 r u a 长期稳定度( 8 小时，0t o + 4 0 t = 2 ) ： 0 2 d b 短期稳定度( 1 5 分钟，0t o + 4 0 2a t = 2 ) ：0 0 3 d b 适配器：f c p c 连续工作时间：典型值4 8 小时 电池省电模式：仪器工作2 0 分钟后会自动关机( 该功能可关闭) 电池低电告警：仪器显示b a t ( 低电标示) 后1 0 分钟后自动关机 稳定化光源的工作原理图如下： 为节约成本要求光源和光功率计的外型及电路板尺寸一样。两个仪器的单片机、e e p r o m 、 显示系统和电源系统完全一样可以互换。 1 1 光电检测器的选择 光检测器是光信号的接收器件，是完成光信号转变为电信号的一种有源器件( 检测器又叫检波 器或探测器) ，从广泛意义上讲是红外探测器的一部分。所谓探测器，是把投射在它上面的包括光波 在内的电磁辐射能转变为其它形式能量( 大多数情况下转变为电能) 的一种器件。检测器分为以下 两大类： 第一大类为光子( 量子) 检测器，其中又分为二类：外光电效应检测器和内光电子效应检测器。 所谓外光电效应是指大能量光子照射时，能使物体内部电子逸出表面。具有这种机理的器件称为外 光电效应检测器。这类器件有光电子管、光电倍增管和变象管等。所谓内光电效应，是当投射到物 体上光子能量不那么大，但大于这种物体材料所需的某一数值时其能量的吸收就会在物体内部产 生电子一空穴对。光照后产生的电子、空穴称为光生载流子。这一类器件称为内光电效应器件。它又 可分为三种情况：( 1 ) 光电导型：( 2 ) 光生伏打型：( 3 ) 光磁电型。其中光电导型和光生伏打型应 用的比较普遍。 第二大类为热检测器，既物体在辐照时产生热信号。这类器件有热电偶，热电堆、测辐射热计 等。这类器件与光通信关系不大。 在光通信领域中完成光电转换的器件，都是属于光子检测器，有称为光子计数器。它们检测光 5 第一章光功率计的硬件设计 信号的工作机理，大致可分为三个步骤： ( 1 ) 光信号产生载流子 ( 2 ) 光生载流子的迁移运动和可能的倍增( 放大) ( 3 ) 光电流与外电路的相互作用 作为光纤通信的检测器，不是任何检测器都能胜任的，它必须具备一定的条件和要求才能完成 符合要求的光电转换。这些要求是： ( 1 ) 高的光电转换效率，既以一定的入射光信号功率，检测器能输出的最大的光电流。这意 味着检测器要具有高的光电转换效率，或者有高的增益因子。 ( 2 ) 足够快的响应速度。或者有大的带宽，检测器输出的电信号能不失真地反映出接收的光 信号； ( 3 ) 高的接收灵敏度，能探测极微弱的光信号( 对此，检测器应有很低的噪声) ； ( 4 )低的功耗 ( 5 ) 稳定、可靠、便宜 光检测器又叫光电检测器。从结构上分，可以分为四种类型：光电导型检测器、光电二极管( 光 生伏打型) 、p i n 光电二极管以及雪崩光电二极管。前两种由于性能较差，在光通讯中很少使用。后 两种使用较多。由于雪崩光电二极管在雪崩倍增过程中噪声变大因此选用p i n 光电二极管作为光 功率计的光探测器。 光检测器的基本参数 1 、应光谱及截止波长 不同波长的光引起同一种半导体材料电导率变化是不同的，不同材料的半导体对波长的响应范 围也是不同的。这由材料的能带结构( 主要是带隙e g 的大小) 决定的。检测器的响应谱的长波限( 既 光子能量最小所对应的波长) 。与或关系为： 入。2 h c e g 式中入。称为截止波长，波长大于入。的光作用于半导体材料时无响应，只有波长小于入。的光作用 于半导体材料才会有响应。此时光被吸收，并引起电子跃迁，从而改变半导体材料的电导率。由此 可知光纤通信的检测器不具有通用性，原因是响应光谱的范围不同。制作光纤通讯用的光检测器主 要有s i ，g e ，i n r a a s p 和i n g a a s 四种材料。其中s i 材料截止波长在9 0 0 h m 附近，g e 材料的截止波 长在1 5 0 0 r 附近i n g a a s p 材料的截止波长在1 4 0 0 n m 附近，而i n g a a s 材料的截止波长在1 7 0 0 n m 附近。考虑到我们光功率计的探测范围要覆盖1 3 1 0 h m 和1 5 5 0 r m 波长区域，因此应该选用i n g a a s 材料制成的光检测器。 2 、量子效率( q ) 与响应度( r ) 量子效率定义为入射在检测器上的一个光子所产生的对光电流有贡献的光生载流子数目。检测 器的光电流与入射光功率之比称为绝对响应度以r 表示。响应度与量子效率成正比。 3 、噪声及最小可检测光功率 描述光检测器灵敏度的基本参数是最小可检测光功率。这是一个即于响应度有关又与噪声有关 的量。在一个由光检测器及包括负载电阻和前置放大器在内的连接电路所组成的光检测系统中，噪 声包括两部分：平均信号电流及检测器暗电流的散弹噪声；负载电阻和放大器的热噪声。所谓最小 可检测的光功率，是指在检测器的输出端产生一个与均方根噪声电流相等的信号电流所需要的入射 光功率。根据我们确定的光功率测量的范围，要求最小可检测光功率必须小于一6 5 d b m 。 4 、暗电流 在无光照的情况下，于0 9 v e 时测得的电流称为暗电流。它是一个噪声源，对于p i n 二极管来说 6 东南大学硕士学位论文光源与光功率计组件的研制 它时一个主要的噪声源。这里v n 是击穿电压。作为测量微弱光信号的光功率计对暗电流的要求很高。 它要求光检测器的暗电流在整个工作温度范围内不得大于光信号所产生的信号电流。而暗电流是随 着温度以指数增长，所以我们必须选择暗电流极小的光检测器作为我们的检测器。因此我们应选择 暗电流小的p i n 管作为我们的光探测器。 1 2 光电检测放大及检波电路设计 一 f 1 2 1 光电检测放大电路设计 由光电检测期( p i n 管) 输出的电流很小在输出到a d 转换器之前必须进行微电流放大。从本 质上讲微电流放大器是一个“电流一电压转换器“其原理如图所示。 v o = 一i i r f t 图1 2 i 电流一电压转换器电路 本设计中，待测电流最小可达1 0 。1 安培在如此微弱信号的测量中，普通的运算放大器已无法 使用了，因为它们的输入失调电压一般在数百微伏以上而失调电压的温度系数在零点几微伏以上。 固然输入失调电压可以被调零，但其漂移则是难以消除的。而斩波稳零型运算放大器提供了一种解 决微信号放大问题的方案。l t c l 0 4 9 是一种先进的高精度斩波稳零运算放大器。斩波稳零的工作方 式使l t c l 0 4 9 具有优异的直流特性，失调电压及其漂移、共模电压、低频噪声、电源电压变化等对 运算放大器的影响被降低到了最小，l t c l 0 4 9 非常适合用于微信号的放大。 由于输入光功率的范围很大( 一6 5d b ”+ 1 0d b m ) ，因此必须分档测量，考虑到分档过多将增加 硬件复杂性因此分为三档测量。考虑到所要达到的分辨率很高，因此选用1 6 位的s i g m a - d e l a ta i ) 转换器a d 7 7 1 5 。在1 6 位分辨率的情况下所需每档倍数为： 1 0 4 ( 3 x 2 ”) = 1 6 0 又考虑到两档之间的换档需要，所以希望每档转换后输出的数字信号量应在3 0 0 0 6 0 0 0 0 之间。 因此我们希望每档最大信号比上最小信号不超过2 0 倍( 6 0 0 0 0 3 0 0 0 = 2 0 ) 。所以我们利用a d 7 7 1 5 内 部自带的i ，2 ，3 2 ，1 2 8 的内部增益。其中2 与3 2 两档的差为1 6 ( 2 0 ) 倍符合要求，而1 6 0 1 6 = 1 0 ( 2 0 ) 也符合要求。因此我们将原先电阻档的每档内部再分为两档，这样共分为6 档。 现在我们来计算一下每档所需的电阻大小。首先我们来确定当信号最大时所需的放大电阻。由 于a d 7 7 1 5 的测量范围是c 2 5 v 而最大信号下输出电流在l o m a 。因此所需电阻为 r f 2 5 0 0 2 1 0 = 1 2 5 ( q ) ，考虑到要留有一定的余量，因此选r l = 1 2 90 。 则另外两档电阻为 r fr l * 1 6 0 = 2 0 6 k ( q ) ，r ；= i 乙* 1 6 0 = 3 3 m ( q ) 上式中式中r 。风，r s 分别表示大信号，中等信号及小信号所需的放大电阻。 由于实际测量的需要，输入光被加上了调制波其范围是从2 7 0 h z 到2 0 0 0 1 - i z 。因此为了能够测 7 第一章光功率计的硬件设计 量其平均功率，需要在放大输出后再加一级阻容滤波得到直流信号送入a d 转换器。因为其最低调 制频率为2 7 0 h z ，t s = 1 2 7 0 = 3 7 m s ，为了能有效的滤除调制波的影响，阻容滤波器的时间常数r c 应远大于t s 。选r = 1 4 7 k ，c = 2 2 u f ， 则：r c = 1 4 7 * 2 2 = 3 2 3 4 m s 满足远大于t s - 3 7 s 的条件。 1 2 2 检波电路设计 为了能将调制波检出，将含有调制波的信号分成两路一路通过阻容滤波器，变成直流信 号后接入放大器的负端，另一路接入放大器的正端，使放大器工作在比较器状态，这样当输入信号 电压低于其平均电压时，输出为0 ，当输入信号电压高于其平均电压时，输出为v c c 。放大器的输 出端就复现了调制波。将其送入单片机就可经计数得到调制波频率。 1 2 3 光电检澳4 放大及检波电路的实现 8 东南大学硕士学位论文 光源与光功率计组件的研制 如图3 2 1 所示，由p i n 管d 1 检出的光电流经由电阻r 1 、r 2 或r 1 2 放大转换为电压输出至 a d 7 7 1 5 。9 9 2 5 实现换档功能单片机通过控制p 1 7 ，p 1 6 来选择r i 、r 2 或r 1 2 来作为放大电阻。 之所以使用9 9 2 5 作开关是因为它比继电器体积小，比多路选择器内阻小。放大器u 3 和三极管q i 组成一个等效放大器起一个放大器的作用。放大器u 4 a 及其附属电路组成了调制波检出电路。检出 的调制信号由p 3 4 送入单片机。r 1 5 和c 9 构成一个滤波电路，使得输入a d 7 7 1 5 的是直流电压， 滤去调制波对光功率的瞬时影响，得到平均光功率。 1 3 模数转换电路设计 现在常用的a d 转换器主要有：逐次比较式a i ) c ，余数反馈比较式a d c ，双积分a d c ，v f a d c ， 一a 式a d c 等五种。传统的a d 转换器采用过采样实现高分辨率有很大困难。因为要获得频率响应 特性陡峭和非线性失真很小的模拟滤波器比较困难。虽然增加量化位数n 是减小量化误差的途径， 但由于元件失配的影响。量化级之间的不匹配( 间距不等) 形成的误差将随n 的增大而增大。因此， 传统a d 转换中的模拟电路固有的噪声容限很小的缺点，使得难以获得价格低廉、性能高的a d 转 换器。采用一转换技术数字电路占有很大比重( 一6 调制、数字滤波等) ，使制成高精度、低 成本的转换器成为现实。 一a 式 d c 具有积分式a d c 与反馈比较式a d c 的双重优点。一式a d c 是在电荷平衡式v f 转换器的基础上改进而成，它取消了电荷平衡式v f 转换器中较为复杂的单稳定时电路，用比较简 单的d 触发器代替。这就使得在一式a d c 的电路组成中，对精密元件的要求降到最低程度。一 式a d c 也具有像双积分a d c 那样对串模干扰的抑制能力。由于它是一个连续转换的闭环系统，对 组成电路的某些元器件的要求低于双积分式a d c 。例如，比较器的失调与漂移不会影响转换精度。 一a 式a d c 采用了数字式反馈比较，大大降低了量化噪声，提高了分辨率。 由于上述优点，我们决定在光功率计中采用一式a d c 作为我们的模数转换器。 1 3 1 系统分析 我们的光功率计是通过光电二极管将由光纤传入的激光转换为光电流，再由电流一电压转 换电路转换为电压信号，经由a d 转换后送入微处理器处理。由于入射光稳定，因此对a d 器 件的转换速度要求不高但对精度要求很高( 在强信号下为0 5 d b m 在弱信号下为t o 2 n w ) 且 信号的动态范围很大( + 1 0 d b m - 6 5 d b m ) ，因此选用1 6 位的e a a d 转换器a d 7 7 1 5 。a d 7 7 1 5 可 以直接将传感器的小信号接入输入端，输出端串行输出一个字的数字信号。它使用一a 技术来 实现高达1 6 位的无误码输出。差分模拟输入和差分参考输入是a d ? ? 1 5 的特色。它是单电源工 作( + 3 或+ 5 v ) 。因此a d 7 7 1 5 非常适合于基于微控制器或d s p 的灵巧系统。它有一个可以被配 置成三线操作的串行接口。增益设定，信号极性及数据刷新频率都可有软件通过串行输入口进 行配置。该芯片还可进行自定标和系统定标可有效消除由芯片自身或系统产生的增益和偏移误 差。 a d 7 7 1 5 的优点： 1 、微功耗。在3 v 电压l l o i z 主频的情况下a d 7 7 1 5 消耗的总电流不超过4 5 0 u a ，使其 成为低功耗系统的理想之选。其待机电流低于1 0 u a 。 2 、可编程增益输入允许a d 7 7 1 5 将应变片或传感器的信号直接接到输入端省去数量可 观的信号处理电路。 3 、由于使用三线串行接口减少了连接线的数量同时减少了需要隔离的系统的光偶的 数量使其成为基于徼控制器或d s p 处理器应用的理想选择。该芯片拥有片上寄存 器，通过它可软件控制输出刷新频率，输入增益，信号极性和定标模式。 4 、a d 7 7 1 5 有极佳的静态性能如1 6 位无误码0 0 0 1 5 精度和低r m s 噪声( 5 5 0 n v ) 。 通过片上的定标操作可以去处零点和满量程误差从而消除端点误差和温度漂移的 9 第一章光功率计的硬件设计 影响。 a d 7 7 1 5 需要一个高稳定的电压基准作为测量的参考电压。我们选用同为a d 公司的a d 7 8 0 作为基准电压源。其3 v 输出的误差仅为1 v 。输出电压漂移仅为3 p p m c 。 1 3 2 应用电路 u 1 a d7 8 0 我们的系统使用1 2 m h z 主频的m c u 。a d 7 7 1 5 的接线如图1 3 2 所示。用m c u 的p 1 3 ， p i 4 ，p 1 5 来模拟三线串口。其中p 1 3 接a d 7 7 1 5 的d o u r 脚作为数据接收线，p 1 4 接a d 7 7 1 5 的d i n 脚作为数据写入线，p 1 5 接a d 7 7 1 5 的s c l k 脚作为数据移位时钟线。用m c u 的p 1 6 脚接d r d y 用来接收状态信号：用m c u 的p 1 0 脚接c s 用作片选信号：数字地( d g a n d ) 和模拟地( a g n d ) 分开：v r e f 由a d 7 8 0 提供精密+ 3 v 基准电压。信号接入a i n ( + ) ，由于 功率信号不可能为负所以a n ( 一) 接a g h d 。 1 3 3 一( s i g t a a - d e l a t ) 模数转换技术简介 1 0 东南大学硕士学位论文光源与光功率计组件的研制 使用噪声整形量化器的a d 转换器通常称做s i g m a - d e l a t 模数转换器。 图1 为一阶s i g m a - d e l a ta d 变换系统。模拟输入信号已由抗混叠滤波成一带限信号。由 于采样率f 远远大于信号的上限频率，抗混叠滤波器的结构可大大简化。通常选择b 。= l ，即一 位a d 转换器。模拟输入与d a 变换的差信号( 即“d e l a t ”) 在积分器中累加( 即“s i g m a ”) 。 提供了输入信号的局部平均，该反馈环路将a d 量化噪声变成一个高通分量，使量化噪声的谱 远离信号分量。 ，i c 图1 一阶s i g s a d e l a ta d 变换器 数字部分含有一l 倍的抽取器，用以降低采样率提高每一样本的位数，实际上这两部分是 一同完成的。低通抽取滤波器的傲三件工作：滤除由反馈环路引起的高频量化噪声；滤除 超过f s 尼以上的频率分量，为抽取作准备； 增加每一样本的位数，这一过程是通过a d 转换 器的输出对较高精度的滤波器的系数进行线性组合来完成的。 一阶s i g m a - d e l a t 的等效数学模型 为了进一步说明s i g m a - d e l a t 反馈环路的工作原理，用图2 的等效模型来表示。图中x ( ) 为输入，y ( m ) 为输出，它们的采样速率均为f 。，e 为量化噪声，积分器的系统函数为 h ( z ) = z - 1 ( 1 - z 1 ) ( 1 ) 因此 y ( z ) = h ( z ) ( x ( z ) y ( z ) 】+ e ( z ) 所以 y ( z ) = 研( z ) ( 1 + h ( z ) ) ) x ( z ) + ( 1 ( 1 + h ( z ) ) e ( z ) ) y ( z ) 2 h z ) x ( z ) 十h 瞄( z ) e ( z ) 第一章光功率计的硬件设计 式中 h i ( z ) = h ( z 矾1 + h ( z ) ) ，h 。( z ) ；l “l + h ( z ) ) ( 3 ) 将( 1 ) 式代入( 3 ) 式得 h 。( z ) ；z _ 。( z ) = 1 一z 1 由此可见，h 。( z ) 是一纯延迟器，用z = d 。代入h 。( z ) 得 l h o f 。) i2 = 1 2 s i n ( o 2 ) l 2 ( 4 ) 而h 。( z ) 是一简单的高通滤波器 y ( z ) = z 叶x c z ) + ( 1 - z 叶) e ( z ) 对应的时域差分方程为 y ( m ) = x ( m - 1 ) + ( m ) ( 5 ) 式中e ( m ) 为高通滤波后的量化噪声： ( m ) = e ( m ) - - e ( m - 1 ) ( 6 ) 由于量化噪声经过了高通滤波在y ( m ) 经过抽取器的低通滤波后将使得量化噪声的分量 变的很小，l 倍抽取后有 y ( n ) = x ( n ) + e ( n ) e ( n ) 是分布在f - f s ? 2 f s 2 之间的自噪声，其方差为 蠢= z z 1 l r 4 ，2 ：l 以u ) 1 2 咿 式中z 是低精度采样的量化噪声的方差，f = l ，由 o e 一 仃e 2 6 2 6 ( 7 ) ( 8 ) 即可求出抽取后的有效a d 变换器的位数b 。 以上介绍的是一阶s i g m a - d e l a t 量化器，对高阶的s i g m a - d e l a t 量化器，具有 h m ( z ) = ( 1 z - i ) p 的形式，其输入输出依然满足( 2 ) 式，h 。( z ) 还是一纯延时器。 1 3 4 a d 7 7 1 5 模数转换器简介 a d 7 7 1 5 的内部结构如图1 3 4 所示。在低频测量应用中a d 7 7 1 5 提供了一个完整的前端。 a d 7 7 1 5 可以直接将传感器的小信号接入输入端，输出端串行输出一个字的数字信号。它使用一 技术来实现高达1 6 位的无误码输出。差分模拟输入和差分参考输入是a d 7 7 1 5 的特色。它是单电源 工作( + 3 或+ 5 v ) 。因此a d 7 7 1 5 非常适合于基于微控制器或d s p 的灵巧系统。