基于A(yíng)D7715的可擴展型高精度數字光功率計

0 引言
光功率計作為一種測量光信號功率的精密儀器，被稱(chēng)為光學(xué)中的萬(wàn)用表，在當代高速發(fā)展的光纖通信工程及其相關(guān)科學(xué)實(shí)驗和教學(xué)中起著(zhù)重要作用。它即可用在各類(lèi)科研實(shí)驗中測量光功率，判斷光信號的傳輸衰減與損耗，也可用于光纖通信工程中對光信號傳輸進(jìn)行檢測與判斷?，F今各類(lèi)高等院校電子與通信類(lèi)相關(guān)專(zhuān)業(yè)都開(kāi)設了《光纖通信》課程，所以光功率計是一種必不可少的實(shí)驗儀器。由于目前市場(chǎng)上沒(méi)有專(zhuān)門(mén)用于實(shí)驗室教學(xué)的光功率計，學(xué)生在使用的過(guò)程中缺乏對該儀器原理及其構造的了解。本文所介紹的數字光功率計技術(shù)先進(jìn)，不僅可用于實(shí)驗室教學(xué)對光功率進(jìn)行測試，又可直接針對光功率計的相關(guān)電路進(jìn)行測試以及對部分電路進(jìn)行重新設計驗證，從而讓學(xué)生在了解光功率計的工作原理的過(guò)程中提高實(shí)際動(dòng)手能力。同時(shí)也能滿(mǎn)足光纖工程應用時(shí)對光功率計性?xún)r(jià)比、測量精度、使用穩定性、操作靈活性、體積等方面要求，充分利用有限資源實(shí)現一機多用的目的。

1 系統硬件設計原理圖
硬件電路主要由光信號采集放大模塊、A／D轉換模塊、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。為了增加儀器的測試范圍，在I／V電路中增加了由MCU控制的多路開(kāi)關(guān)，實(shí)現大信號小放大、小信號大放大；為了增加測試精度而選用16位的模數轉換器AD7715作為AD轉換芯片。

2 主要電路模塊設計
2．1 光信號采集電路與濾波
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。系統中的光信號采集電路采用四路集成運放對PIN探測器撲捉到的電信號進(jìn)行放大、I／V轉換、濾波和自動(dòng)量程轉換控制。由于光電檢測器轉換的光電流很小且變化范圍較大，當放大器增益固定時(shí)會(huì )出現小信號得不到有效放大而降低A／D轉換的精度。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，這就要求根據光電流的大小適當地調整放大倍數。通過(guò)單片機對多路模擬開(kāi)關(guān)的控制，實(shí)現自動(dòng)量程選擇，電路如圖2。

濾波電路使用的是相關(guān)設計軟件所設計的巴特沃斯有源低通濾波器，該電路為可擴展性電路：由一刀雙擲開(kāi)關(guān)控制。當用于工業(yè)測量使用時(shí)打開(kāi)開(kāi)關(guān)，此時(shí)系統使用固定濾波器；當用于實(shí)驗教學(xué)時(shí)閉合開(kāi)關(guān)，學(xué)生自行設計濾波器以此來(lái)提高理論設計和實(shí)踐動(dòng)手能力，實(shí)驗證明該方式能達到預期的目的，且對工程應用時(shí)的精度影響很小，電路實(shí)現如圖3所示。

2．2 A／O轉換電路