湖北汽车工业学院毕业设计论文开题报告.docx

湖北汽车工业学院Hubei University of Automotive Technology毕 业 设 计 开 题 报 告题 目基于PIN光电二极管的光功率计设计班号T1103-2专业光电信息科学与工程学号20110030223学生姓名王庆平指导教师曾维友一、课题来源、目的和意义光功率计是检测光信号功率大小的一种仪器,是光测试仪器中常用基础设备,广泛应用于光纤通信、生物医学等高新技术领域。光功率计用于测量绝对光功率或通过一段光纤的光功率相对损耗的仪器。在光纤系统中，测量光功率是最基本的，非常像电子学中的万用表；在光纤测量中，光功率计是重负荷常用表。通过测量发射端机或光网络的绝对功率，一台光功率计就能够评价光端设备的性能。用光功率计与稳定光源组合使用，则能够测量连接损耗、检验连续性，并帮助评估光纤链路传输质量。目前,国内所开发的光功率计所采用的光电探测器主要有光电倍增管和光电池,采用光电倍增管的光功率计,工作电压高、环境因素影响大,而采用光电池的光功率计由于受到暗电流的影响,误差较大。显然,对于现场工程应用,采用以上两种光电探测器的光功率计存在明显的缺点。随着近几年PIN光电二极管等新型光电探测器的广泛研究及开发,其在对光信号的检测上,不仅检测精度有所提高,而且受工作环境因素影响较小,所以在设计中以PIN光电二极管作为光电探测器,需要设计了一款针对现场工程应用的光功率计。PIN 光电二极管由于材料不同,响应波长也有所不同,可根据被测光信号的波长来选择相应材料的 PIN 光电二极管,对 Si-PIN 光电二极管, 由其各个参数可知,可作为可见光及近红外激光的光电探测器,对 Ge-PIN 光电二极管,由其响应应时间短,可作为红外波段,大功率高速光信号的检测;对InGaAs-PIN 光电二极管,由其响应度高,相应时间短,可作为高速光探测器用于红外波段的微弱光信号的检测。要测得准确的光功率值,需获得PIN光电二极管的光谱响应度值和光生电流值,对PIN光电二极管的光电转换过程进行分析计算，PIN光电二极管的光生电流可经电流/电压变换,转换成电压值,通过对电压值的测量来获得PIN光电二极管的光生电流值。在这种光功率计的设计上,首先,采用了对数放大器进行电流/电压变换及放大;然后,为了满足后续A/D转换精度的要求,设计了相应的电压信号调理电路;接着是单片机核心器件,搭建了硬件系统,并完成了系统软件的编写，最后通过LED显示出来所测试的光功率的数值。二、国内外技术历史发展及现状在光纤传输系统中，有源及无源部件如发射机光接收机、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，检查一下是否有断裂处，测量一下衰减变化。对于各个部件而言，这些电源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。当然，更重要的还有全球系统指标功率、功率衰减及信噪比等传输特性的测量。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，光功率计正是诸多亟待开发的光纤系统测量仪器中的常用的、重要的基础设备。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。八一五期间以来，我国光纤通信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认为。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。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，使用操作也比较复杂；而国内同类测试仪器存在价格高而且测量精度偏低的不足。随着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。智能光功率计是指含有微型计算机或者微处理器，能对测量结果进行存储、运算处理处理及仪器本身能够按照人工预先设置进行自动操作的具有智能特性的光功率计测量仪器，它可广泛的应用于光通信、光学实验、激光医学、军事伪装及成像系统等方面。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，光测量仪器行业正面临着一个新的、广阔的市场。三、主要设计内容目前光功率计测量方法有两种，一种是热转换方式，其原理是利用黑体吸收光功率后温度来计算光功率的大小，这种方法的有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。本课题研究的正是这种方式，主要研究内容有：1、总体设计：根据光功率检测的基本理论，对PIN光电二极管的工作原理进行分析，选择PIN光电二极管作为光探头，设计合适的电路以达到工作电路的噪声最低。由PIN光电二极管转化得到的信号需经过软硬件系统的处理。软硬件系统包括硬件：信号放大电路、A/D数模转换部分、单片机模块、电源管理模块以及其他的模块；软件部分包括：单片机对各个模块的控制和数据处理。光探头光电转换电路I/V转换电路放大滤波电路A/D转换电路外围输入 MCU处理LCD显示总体方案流程图2、系统调试：对于我们所使用的PIN光电二极管需要做光功率光谱响应验证实验。根据我们选取的PIN光电二极管的参数，利用半导体载流子连续方程得到光谱计算公式和理论响应曲线；对各个硬件模块进行单独调试，使模块性能能够达到性能要求；对软件部分进行模拟调试，调整各个模块的参数，设计单片机程序控制电源。四、课题重点、难点及要解决的主要问题1、PIN光电二极管光功率关于光谱响应特性的研究。2、光电转化电路、I/V转换电路、放大滤波电路、A/D转换电路的设计。3、了解单片机的端口功能。4、根据系统功能设计出单片机控制程序。五、研究路线及工作计划序号工作计划日 期1查阅文献, 熟悉PIN光电二极管的基本结构原理，并复习相关的光电技术、数字电子、模拟电子等方面的理论知识，学习keil、proteus、Multisim等软件 2015年1月15日2月29日2撰写开题报告，并及时修改3月15日3掌握光谱响应分析基本方法寻找解决重点和难点的方法，建立模型4月15日4撰写毕业设计(论文)中期报告4月20日5通过计算机软件建立模型，进行仿真、调试 5月15日6撰写毕业论文，完成毕业论文初稿5月25日7修改完善毕业论文，进行答辩6月初六、参考文献1康恒、梁永强 光通信的发展趋势探讨J