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1、光功率計的設計組員：劉浩張碩1.背景概述與定義1.1概述：光功率計主要用于測量光信號的強弱，目前測量光功率的方法有兩種，一種是熱轉(zhuǎn)換方式，一種是半導體光電檢測方式。前一種的光譜響應曲線平坦、準確度高，但是成本高，響應時間長，用半導體光電檢測可以得到比較高的探測靈敏度和響應速度。光功率計在光通信和光纖傳感等新技術(shù)領域中測試中測試光功率光衰減量是必不可少的儀器之一。同時國內(nèi)所需的光功率計大多依靠進口，國外光功率計價格普遍偏高，所需配件品種多，使用操作也比較復雜。1.2光功率定義：光功率是光在單位時間內(nèi)所
2、做的功。光功率常用單位是毫瓦(mW)和分貝(dB)，其中兩者關(guān)系為lmW=0dB，而小于1mw的分貝為負值。例如，在光纖收發(fā)器或交換機說明書中，有其產(chǎn)品的發(fā)光和接收光功率，通常發(fā)光小于0dB。接收端所能夠接收的最小光功率稱為靈敏度，能接收的最大光功率減去靈敏度的值稱為動態(tài)范圍，發(fā)光功率減去接收靈敏度是允許光纖損耗值。2．設計目的與設計要求：基于光電轉(zhuǎn)換器件的光強度的測量，設計光接收電路，并進行光電轉(zhuǎn)換，再設計放大電路、濾波電路、AD轉(zhuǎn)換電路及微處理器電路，對測量光的光強度進行標定，最終實現(xiàn)光強度的測
3、量，系統(tǒng)要求精度為1mW。3.主要器件的選擇：3.1微型處理器的選擇：微型處理器選擇為MCS-51系列單片機：MCS-51系列單片機產(chǎn)品有8051，8031，8751，80C51，80C31等型號（前三種為CMOS芯片，后兩種為CHMOS芯片），它們的結(jié)構(gòu)基本相同。其功能結(jié)構(gòu)：◆一個8位CPU；◆一個片內(nèi)振蕩器及時鐘電路；◆4K字節(jié)ROM程序存儲器；◆128字節(jié)RAM數(shù)據(jù)存儲器；◆兩個16位定時器/計數(shù)器；◆可尋址64K外部數(shù)據(jù)存儲器和64K外部程序存儲器空間的控制電路；◆32條可編程的I/O線（四
4、個8位并行I/O端口）；◆一個可編程全雙工串行口；◆具有五個中斷源、兩個優(yōu)先級嵌套中斷結(jié)構(gòu)。3.2運放的選擇：LM741：LM741（單運放）是高增益運算放大器，差模信號范圍和低失調(diào)電壓調(diào)零能力與使用適當?shù)碾娢弧?.3三極管的選擇：PNP8550三極管8550是一種常用的普通三極管。它是一種低電壓,大電流,小信號的PNP型硅三極管。8550三極管（TO-92封裝）管腳圖1、發(fā)射極 2、基極 3、集電4.方案簡述：4.1方案一：基于光電二極管的光功測量4.1.1光電探頭的選擇：光電二極管：PD333-
5、3C響應波長為400~1100nm，具有高響應速率、高光電靈敏度等特性。4.1.2AD轉(zhuǎn)換芯片的選擇：TLC549是8位串行A/D轉(zhuǎn)換器芯可與通用微處理器、控制器通過CLK、CS、DATAOUT三條口線進行串行接口。具有4MHz片內(nèi)系統(tǒng)時鐘和軟、硬件控制電路，轉(zhuǎn)換時間最長17μs，TLC549為40000次/s?？偸д{(diào)誤差最大為±0.5LSB，典型功耗值為6mW。采用差分參考電壓高阻輸入，抗干擾，可按比例量程校準轉(zhuǎn)換范圍，VREF-接地，VREF+－VREF-≥1V，可用于較小信號的采樣。4.2方案
6、二：采用集成光強感應芯片采用已經(jīng)有的集成光強感應芯片，如下圖所示。BH1710FVC內(nèi)置了16bitAD轉(zhuǎn)換器,可對廣泛的亮度進行1勒克斯的高精度，內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器，測定照明度數(shù)字值可以直接輸出。輸出采用I2CBUS接口可以直接與單片機通訊。5．方案的比較與選擇：方案一的AD芯片管腳比較少，同時有4MHz片內(nèi)系統(tǒng)時鐘和軟、硬件控制電路，芯片的功能能夠滿足設計的要求，而且使用簡單、功能強大。而AD0809使用時還要使用外部時鐘，同時還要外接邏輯器件。在使用光電和光伏探測器件的功能上是基本一致的，就是頻
7、帶響應不一樣，對于可見光的潘光功率的測量二者都可以用。所以采用方案一。6．方案的詳述：6.1光功率計原理：本項目利用光電轉(zhuǎn)換器件能夠?qū)⒐饽芰哭D(zhuǎn)換成電流或電壓等電參量，通過后續(xù)電路對電參量的大小進行測量，采用標準光功率計對系統(tǒng)的測量進行標定，使得系統(tǒng)能夠完成對光功率的測量。6.2光電轉(zhuǎn)換電路：由于PIN光電二極管產(chǎn)生的光電流很小，不能直接用于測量，需要通過適當?shù)牡驮肼暦糯蠛?，再進行數(shù)據(jù)處理。光電探測器件一般都要緊密連接一個低噪聲的前置放大器，用于對微弱信號的放大。這里先采用PNP三極管對光電二極管的輸
8、出電流進行電流放大和電壓電流轉(zhuǎn)換。右面為原理圖。6.3放大濾波電路用一階有源仰低通電路進行濾波，去除電路中的干擾雜波。再用低失調(diào)電壓的LM741運放對電壓信號進行可選擇放大倍數(shù)的放大。電路中用多路開關(guān)接不同電阻的方法來實現(xiàn)對放大倍數(shù)的調(diào)節(jié)。6.4AD轉(zhuǎn)換模塊：AD轉(zhuǎn)換器可以將時間的幅值都連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字量。這個設計采用的是8位串行自帶時鐘的TLC549AD芯片。電路圖如下：6.5單片機控制部分：要設計采用通用的MCS51系列單片機來作主要的電路控制塊。單片
