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