基于AD7715的可擴展型高精度數(shù)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)實驗和教學(xué)中起著重要作用。它即可用在各類科研實驗中測量光功率，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行檢測與判斷?，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，所以光功率計是一種必不可少的實驗儀器。由于目前市場上沒有專門用于實驗室教學(xué)的光功率計，學(xué)生在使用的過程中缺乏對該儀器原理及其構(gòu)造的了解。本文所介紹的數(shù)字光功率計技術(shù)先進，不僅可用于實驗室教學(xué)對光功率進行測試，又可直接針對光功率計的相關(guān)電路進行測試以及對部分電路進行重新設(shè)計驗證，從而讓學(xué)生在了解光功率計的工作原理的過程中提高實際動手能力。同時也能滿足光纖工程應(yīng)用時對光功率計性價比、測量精度、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現(xiàn)一機多用的目的。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計原理圖
硬件電路主要由光信號采集放大模塊、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。為了增加儀器的測試范圍，在I／V電路中增加了由MCU控制的多路開關(guān)，實現(xiàn)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(shù)轉(zhuǎn)換器AD7715作為AD轉(zhuǎn)換芯片。

2 主要電路模塊設(shè)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(tǒng)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行放大、I／V轉(zhuǎn)換、濾波和自動量程轉(zhuǎn)換控制。由于光電檢測器轉(zhuǎn)換的光電流很小且變化范圍較大，當(dāng)放大器增益固定時會出現(xiàn)小信號得不到有效放大而降低A／D轉(zhuǎn)換的精度。同時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)。通過單片機對多路模擬開關(guān)的控制，實現(xiàn)自動量程選擇，電路如圖2。

濾波電路使用的是相關(guān)設(shè)計軟件所設(shè)計的巴特沃斯有源低通濾波器，該電路為可擴展性電路：由一刀雙擲開關(guān)控制。當(dāng)用于工業(yè)測量使用時打開開關(guān)，此時系統(tǒng)使用固定濾波器；當(dāng)用于實驗教學(xué)時閉合開關(guān)，學(xué)生自行設(shè)計濾波器以此來提高理論設(shè)計和實踐動手能力，實驗證明該方式能達到預(yù)期的目的，且對工程應(yīng)用時的精度影響很小，電路實現(xiàn)如圖3所示。

2．2 A／O轉(zhuǎn)換電路