楊 浩，劉譯文，趙笠錚，嚴(yán)一民

(電子科技大學(xué) 物理電子學(xué)院，成都 610054)

基于AD8304對數(shù)放大器的高精度光功率計(jì)的設(shè)計(jì)

楊 浩，劉譯文，趙笠錚，嚴(yán)一民

(電子科技大學(xué) 物理電子學(xué)院，成都 610054)

為了避免傳統(tǒng)光功率計(jì)測量誤差較大、測量范圍較窄等缺點(diǎn)，文中對光功率計(jì)的測量精度及范圍進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中使用PIN光電二極管將光電流轉(zhuǎn)化為電壓值，并采用AD8304對數(shù)放大器進(jìn)行對數(shù)放大，避免了使用線性放大器時(shí)顯示轉(zhuǎn)換誤差和煩瑣的對數(shù)運(yùn)算。給出了光功率計(jì)的設(shè)計(jì)思路，重點(diǎn)討論了AD8304對數(shù)放大器的特性及在光功率計(jì)中的應(yīng)用，并通過軟件對本設(shè)計(jì)的計(jì)算精確性進(jìn)行了驗(yàn)證。

光功率計(jì)；光電二極管；AD8304對數(shù)放大器

1 光功率檢測的理論基礎(chǔ)

1.1 Si-PIN光電二極管工作原理

Si-PIN光電二極管的工作原理與普通二極管類似，為保證在無光時(shí)的穩(wěn)定性，通過在PN結(jié)間滲入低濃度的Si材料增大其耗盡層的帶寬；在有光照射時(shí)，PN結(jié)空間電荷區(qū)的寬度加大，使流過PN結(jié)的電流驟增，從而可以獲得光生電流IS。

1.2 Si-PIN光電二極管的光譜響應(yīng)度曲線

光譜響應(yīng)度反映光電二極管將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的能力，定義為在電路產(chǎn)生的光電流IS與入射光功率P的比率，用ρ表示，單位為A/W，即

(1)

由式(1)可知，可利用光譜響應(yīng)度通過測量光電流的值來得到入射光功率值。

2 光功率計(jì)的硬件設(shè)計(jì)

光功率計(jì)的硬件電路圖如圖1所示，主要包括：PIN光電探測器、I/V變換電路、AD8304對數(shù)放大器及濾波、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)、OLED顯示及鍵盤。

圖1 光功率計(jì)硬件電路圖

2.1PIN光電探測器

2.2I/V變換電路

本設(shè)計(jì)中采用如圖2所示的I/V變換電路作為PIN二極管的前置放大電路[2]。此電路有零偏置電流、電流/電壓變換、線性放大等優(yōu)點(diǎn)。

圖2 I/V轉(zhuǎn)換電路圖

假設(shè)PIN光電二極管的光電流為IS，由于放大器輸入端的電阻非常大，可以近似為無窮大，所以IR近似等于IS。我們列出電壓/電流的關(guān)系方程。

U0-U-=IS×R

由于U-=U+=0，所以

U0=IS×R

(2)

得到U0與IS呈線性關(guān)系。

2.3 AD8304對數(shù)放大器

AD8304對數(shù)放大器針對光纖系統(tǒng)中的低頻信號功率測量進(jìn)行了優(yōu)化。它采用先進(jìn)的跨導(dǎo)線性技術(shù)，可提供多樣、易用的極寬動(dòng)態(tài)范圍。它有專門的光電二極管接口，內(nèi)部集成了溫度補(bǔ)償電路， 提高了轉(zhuǎn)換精度。AD8304 內(nèi)部由兩部分組成：對數(shù)比轉(zhuǎn)換器和線性運(yùn)算放大器。由于光電二極管輸入的是微小的電流信號，對數(shù)放大器完成電流到電壓的對數(shù)比轉(zhuǎn)換。為了適應(yīng)不同的A/D 轉(zhuǎn)換輸入電壓的要求，運(yùn)算放大器作為緩沖級可用來調(diào)節(jié)這一電壓值[3]。對數(shù)放大器的輸出電壓值VOUT和被測功率值P的關(guān)系為[4-5]

P=K2VOUT+C2

(3)

式中：K1、C1為常數(shù)，由芯片外部所接電阻網(wǎng)絡(luò)決定；IZ是光電二極管截止電流，在此為常數(shù)；ρ為光電二極管的響應(yīng)度;IS和PPD分別為光電二極管輸出的電流和功率值。由式(3)可知，輸出電壓值VOUT和被測光功率值P為簡單的線性關(guān)系。這就避免了后續(xù)煩瑣的對數(shù)計(jì)算過程，使后面的計(jì)算和程序處理變得更加簡單。

為了驗(yàn)證AD8304對數(shù)放大器在光功率計(jì)中高精度的運(yùn)算能力，我們將使用AD8304進(jìn)行對數(shù)運(yùn)算的光功率計(jì)與普通光功率計(jì)的運(yùn)算精準(zhǔn)度差異通過Matlab進(jìn)行模擬仿真對比。由理論分析可知，對數(shù)放大器的輸出電壓VOUT具有16位精度，而普通光功率計(jì)輸出的光電二極管電流IS具有16位精度，因而經(jīng)過對數(shù)運(yùn)算后精度會(huì)下降。以對數(shù)放大器運(yùn)算后的光功率值為標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算普通光功率計(jì)計(jì)算值與其的相對誤差，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 普通光功率計(jì)計(jì)算值的相對誤差圖

觀察結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輸入光電二極管電流值IS很小時(shí)，普通光功率計(jì)測得值與對數(shù)放大器測得值的相對誤差較大，測量值極不準(zhǔn)確。這驗(yàn)證了AD8304對數(shù)放大器在計(jì)算光功率值時(shí)的準(zhǔn)確性。

AD8304對數(shù)放大器的電路設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

2.4 51單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換與計(jì)算

2.4.1 51單片機(jī)硬件介紹

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中常常使用到單片機(jī)。單片機(jī)有集成性高、功能強(qiáng)大、可靠性高、功耗低、使用方法相對簡單等優(yōu)點(diǎn)。在本設(shè)計(jì)中，我們采用STC89C51單片機(jī)。STC89C51單片機(jī)是美國STC公司最新推出的一種新型51內(nèi)核的單片機(jī)。片內(nèi)含有Flash程序存儲(chǔ)器、SRAM、UART、SPI、A/D、PWM等模塊。該器件的基本功能與普通的51單片機(jī)完全兼容，同時(shí)它又是一款抗干擾、高速、低功耗的單片機(jī)。本設(shè)計(jì)中，由單片機(jī)處理經(jīng)過對數(shù)放大后的電壓，對其進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和運(yùn)算，其ADC功能具有16 位精度，得到的數(shù)值精確度高，能達(dá)到提高精度的要求。經(jīng)過一系列數(shù)值運(yùn)算后得到當(dāng)前采集到的光信號的功率值，并送液晶顯示。

圖4 AD8304對數(shù)放大器的電路設(shè)計(jì)圖

2.4.2 軟件流程及數(shù)據(jù)處理

光功率計(jì)從功能上看，由A/D轉(zhuǎn)換、按鍵處理、數(shù)據(jù)處理等組成，其軟件流程如圖5所示[6]。

圖5 軟件處理流程圖

2.5 鍵盤

在本設(shè)計(jì)中，功能鍵設(shè)置為：開/關(guān)機(jī)鍵，用于啟動(dòng)/關(guān)閉功率計(jì)；波長選擇設(shè)定鍵，用于調(diào)整輸入波長及初始化；單位選擇鍵，用于調(diào)節(jié)單位大小以輸出精確數(shù)值；功率輸出測量鍵，用于顯示輸出功率大小。選用中斷掃描工作方式，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，傳輸至單片機(jī)掃描按鍵，單片機(jī)根據(jù)接收到的指令完成相應(yīng)工作程序。

2.6 LCD顯示

在本設(shè)計(jì)中，晶體顯示模塊選用了標(biāo)準(zhǔn)化的LCD1602。這種液晶模塊用來顯示字母、數(shù)字、符號等，能同時(shí)顯示32個(gè)字符(16列×2行)，具有功耗小、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧等特點(diǎn)，可與單片機(jī)直接匹配。

3 測量對比結(jié)果

將通過以上設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)的基于AD8304對數(shù)放大器的光功率計(jì)與普通光功率計(jì)進(jìn)行對比，在測量過程中通過調(diào)整激光光源功率大小，來對比標(biāo)準(zhǔn)光功率值與普通光功率計(jì)測量值、自行設(shè)計(jì)的光功率計(jì)測量值的大小。輸入光波長為650 nm標(biāo)準(zhǔn)激光源，測量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 光功率計(jì)測量值對比 dBm

4 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)中采用PIN X-6光電二極管采集光信號，將光信號以電流形式輸出，通過I/V電路將其轉(zhuǎn)換為電壓信號。由于輸入與所要測的光功率值呈對數(shù)關(guān)系，再通過AD8304對數(shù)放大器對光電壓信號進(jìn)行對數(shù)轉(zhuǎn)換與放大，通過單片機(jī)處理得到其對應(yīng)的光功率值。通過AD8304對數(shù)放大器對光功率值的計(jì)算處理使得運(yùn)算變得簡單，硬件設(shè)計(jì)也十分簡潔，測量精度高。本文給出了設(shè)計(jì)思路和對數(shù)放大、I/V變換等部分的具體電路，其思路與設(shè)計(jì)原則同樣適用于此類設(shè)備的設(shè)計(jì)，具有較高的理論價(jià)值和參考價(jià)值。

[1]王子孟.PIN硅光電二極管的原理和應(yīng)用[J].光學(xué)儀器，1984，6(4)：1-9.

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Design of High Precision Optical Power Meter Based on the AD8304 Logarithmic Amplifier

YANG Hao，LIU Yiwen，ZHAO Lizheng，YAN Yimin

(School of Physical Electronics, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054, China)

In order to avoid the disadvantages of the traditional Optical Power Meter Method， such as the large measuring error and the narrow measuring range，this paper is deigned to explore the measurement accuracy of the Optical Power Meter and the optimization of the measuring range. In this design， photodiode PIN is used to convert light current into voltage values. And the employment of the logarithmic amplifier AD8304 can avert the sophisticated logarithm operation and the error by using the linear amplifier. The design thought of the Optical Power Meter is provided in this paper， which focuses on the special characteristics of the logarithmic amplifier AD8304 and the application of the Optical Power Meter. And the calculation accuracy of this design has been verified by software.

optical power meter; photodiode; AD8304 logarithmic amplifier

2014-12-10；修改日期: 2015-01-04

全國高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基金資助項(xiàng)目。

楊 浩(1993-)男，本科在讀，專業(yè)方向：電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)。

TH741

B

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.04.067