基于ATmega16的數(shù)字光功率計(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

前 言

數(shù)字光功率計(jì)是一種由單片機(jī)控制的、可測(cè)量光信號(hào)強(qiáng)弱的便攜式儀器，是光纖通信干線鋪設(shè)、設(shè)備維護(hù)、科研和生產(chǎn)使用的重要儀器。然而，傳統(tǒng)的光功率計(jì)存在測(cè)量精度低，測(cè)量范圍窄，便攜性差等問(wèn)題。針對(duì)這種情況，開(kāi)發(fā)了一種由AVR單片機(jī)控制的通用便攜光功率計(jì)，具有量程可自動(dòng)轉(zhuǎn)換，測(cè)量精度高，通用性強(qiáng)，攜帶方便的特點(diǎn)，非常適合在光信息、光通信領(lǐng)域使用。

1 系統(tǒng)原理

光功率就是光在單位時(shí)間內(nèi)所做的功。該數(shù)字光功率計(jì)由微處理器、光電探測(cè)器、I/V變換器、量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換、A/D轉(zhuǎn)換、液晶顯示等部分組成，其系統(tǒng)原理如圖1所示。

微處理器采用AVR系列ATmega16單片機(jī)，它是基于增強(qiáng)型AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。在外設(shè)方面，它具有一個(gè)可編程的UART和獨(dú)立于片內(nèi)振蕩器的看門(mén)狗定時(shí)器等資源，支持SPI接口，允許ATmega16與其他外設(shè)或AVR單片機(jī)進(jìn)行高速的同步數(shù)據(jù)傳輸。

系統(tǒng)采用硅光電池作為光電探測(cè)器，它被設(shè)計(jì)用于把入射到它表面的光能轉(zhuǎn)化為電能，因此，可用作光電探測(cè)器和光電池，被廣泛用于實(shí)驗(yàn)室和野外便攜式儀器等的探測(cè)器。在該系統(tǒng)中，硅光電池工作于零偏狀態(tài)。

自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換部分通過(guò)運(yùn)算放大器和多路選擇開(kāi)關(guān)CD4051來(lái)完成。反饋信號(hào)通過(guò)CD4051選擇不同的量程，進(jìn)行自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換，以輸出合適的電壓信號(hào)。

數(shù)據(jù)采集部分通過(guò)16位精度的A/D轉(zhuǎn)換器AD7705完成將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。數(shù)據(jù)經(jīng)AVR單片機(jī)ATmega16處理后轉(zhuǎn)換成光功率數(shù)據(jù)，在1602液晶屏幕上顯示出來(lái)。

本文設(shè)計(jì)的數(shù)字光功率計(jì)采用ATmega16來(lái)控制系統(tǒng)的整體工作。以硅光電池作為光電傳感器，使用LM324將信號(hào)放大，通過(guò)16位精度的A /D轉(zhuǎn)換器AD7705將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。粗測(cè)數(shù)據(jù)的信號(hào)反饋，可使單片機(jī)控制CD4051選擇不同的量程，以重新選擇量程并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。最后用1602液晶顯示光功率的大小。

2 自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換

實(shí)現(xiàn)高精度的測(cè)量。一般通過(guò)控制輸入信號(hào)的衰減/放大倍數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。就光功率計(jì)而言，一般輸入信號(hào)都比較小，所以其量程切換基本上都是放大倍數(shù)的切換。在該系統(tǒng)中，量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換主要由多通道開(kāi)關(guān)CD4051和集成運(yùn)放LM324組成。兩者連接圖如圖2所示。

CD4051是單8通道數(shù)字控制模擬電子開(kāi)關(guān)，有3個(gè)二進(jìn)制控制輸入端A，B，C和INH輸入端，3個(gè)二進(jìn)制信號(hào)選通8通道中的一通道，可連接該輸入端至輸出。