基于单片机的光功率计的设计

《光电转换电子电路》课程设计论文论文题目：基于单片机的光功率计的设计学院(系)：信息工程专业：物理电子学班级：信研1108学生姓名：庞锦学号：1049721103104教师：张翠2012年6月27日摘要本文首先对光功率计的组成原理进行了详细的分析，查阅大量资料并比较国内外产品的性能和价格，然后根据生产的实际需要进行低成本研发工作。在能满足生产的的要求基础上进行总体的设计规划，并给出各个电路的设计和说明，包括光探测器的选择、放大滤波电路的设计、A／D转换、单片机控制、外围电路的设计、液晶显示电路、按键电路等设计。在选择芯片方面，我们尽量做到IC集成化，因为集成IC的整体功能更加稳定而且价格相对来说也比较便宜．最后是对系统的各个模块的软件进行编写，我们摒弃用汇编语言开发下位机程序，而改用C语言，这样使得开发效率更高和程序的可读性更强。其中有下位机MCU自身的初始化，下位机MCU与外围芯片的通信，下位机与上位机的通信，上位机程序的书写等。关键词：单片机，智能仪表，光功率计abstractThispaperfirstlighttothecompositionofthepowermeterprincipleofadetailedanalysis,consultingalargenumberofmaterialandthecomparisonofdomesticandforeignproductsperformanceandprice,andthenbasedontheactualneedoftheproductionofthelowcostresearchanddevelopmentwork.Insatisfytheproductionbasedontherequirementsoftheoveralldesignplanning,andgiveeachcircuitdesignandshows,includingthechoiceoflightdetectors,amplifyfiltercircuitdesign,A/Dconversionandsingle-chipmicrocomputercontrol,peripheralcircuitdesign,liquidcrystaldisplaycircuit,keycircuitdesign.Inthechoiceofchips,wetrytodoICintegration,becausetheintegratedfunctionoftheintegratedICmorestableandthepriceisrelativelycheap.Thelastofthesystemisdifferentmodelsofthesoftwaretowrite,weabandonedinassemblylanguagedevelopmentaprogramunderthemachine,toClanguage,thismakestheefficiencyofdevelopmentinhigherandtheprogrammorereadable.AmongthemareamachineitselfundertheinitializationofMCU,amachineandperipheralcommunicationschipMCU,superordinationmachinecommunication,PCprogramofwriting,etc.Keywords:asingle-chipmicrocomputer,intelligentinstrument,lightpowermeter1绪论近年来，光纤通信已成为通信领域发展中的最前沿，它不仅在军用，而且在民用通信中也得到广泛应用。光纤通信系统的主要组件有：(1)光缆：它由一根或多根光纤、或光纤束制成的符合光通信要求的线缆。(2)光源：通常是可见光或红外光，常用光源是发光二极管(LED)和固体激光器。其光信号可以被调制，以使模拟信号或数字信号加至该光源的光束上。(3)检测器：它位于接收端，可将光信号转换为电信号。常用的检测器有PIN光电二极管或雪崩光电二极管，PIN光电二极管对低频信号有整流作用，但对射频信号和微波信号只有阻抗作用，因此可用来对信号进行控制。加反偏压或无偏压时，PIN的阻抗都很高。加正偏压时，载流子注入中间层，阻抗迅速变低。(4)连接口：光源到光缆的接口或光缆至检测器的接口都需要高效光学连接器，否则连接处会产生很大的信号损失。(5)标准通信电路：它位于光源前部和光检测器后部。八五一期间，我国光纤通信技术已进入迅速发展阶段，而近两、三年来，全国各省、市的有线电视系统又纷纷步入光纤传输。因此，光纤系统已担负起通信和广播电视两大信息传递任务。光纤通信的惊人发展，要求光纤测量技术和光纤测量仪器也必须同步发展起来。正如“任何科学领域的进步都依赖于对被研究对象做出精确测量”一样，光纤技术的进步也完全符合这一规律，电子测量仪器行业正面临着一个新的、广阔的市场。在整个光纤传输系统中，有源及无源部件如光发射机、光接收机、光接头、光耦合器、光隔离器等的接入对系统的传输特性都有相当大的影响，为了使系统达到应有的传输指标，必须对光缆、部件以及全系统进行一系列的检验和测量。例如，就拿光纤来说，在铺设前后都必须作检验，查一下有否断裂处，测量一下衰减变化。对于各部件而言，这些单元在安装进光纤系统后都会产生插入损耗量而引起系统指标的改变，因此，应进行插入功率损耗等参数的测量。当然，更重要的还有全系统指标——功率、功率衰减及信噪比等传输特性的测量。据预测，在领导下一代通信测试的各类测试仪器中，光测试仪器成为最有潜力的仪器之一，光功率计正是诸多急待开发的光纤系统测量仪器中的常用的、重要的基础设备。它是光通信和光纤传感等一些高新技术领域中测试光功率、光衰减量必不可少的常用测量仪表。随着我国光纤应用技术的迅速发展，光功率计的需求量与日俱增，特别是用于工程施工现场的便于携带、操作简便、性能稳定的光功率计。目前国内所需的光功率计大多依靠进口，国外光功率计价格普遍偏高，所需配件品种多，使用操作也较复杂；而国内同类测试仪器存在价格偏高且测量精度偏低的不足。随着微电子技术的迅速发展，特别是单片机的出现和广泛应用，正在引起测量控制仪表领域的一场新的技术革命，测量仪器的智能化已成为现代仪器仪表发展的主要方向。智能光功率计是指含有微型计算机(pC)或微处理器，能对测量结果进行存储、运算处理及仪器本身能够按照人工的预先设置进行自动操作的具有智能特性的光功率测量仪器，它可广泛地应用于光通信、光学实验、激光医学、军事伪装及成像系统等方面。2光功率计的设计2.1光功率计的工作原理目前光功率测量方法有两种，一种是热转换型方式，其原理是利用黑体吸收光功率后温度的升高来计算光功率的大小，这种测量方法的优点是光谱响应曲线平坦、准确度高，缺点是成本高，响应时间长；另一种是半导体光电检测方式，一般被用来作为标准光功率计，本文也是采用这种检测方式。本次数字光功率计的内部机构如图2.1所示，将接收到的光信号投射在光探测器的光敏面上并由光电转换电路将其转变为电流，再经过lⅣ变换电路和放大电路得到电压信号，然后把这个信号送到低通滤波器进行滤波及响应度补偿放大，以得到与功率值相对应的电压，之后再将该电压经A／D转换，以得到表示功率大小的数字量，最后通过CPU进行数据处理和判断后，将数据送入LCD显示器进行功率显示或指示。以下章节将分别讲解各个电路部分的设计和实现。图2.1数字光功率计工作原理图2.2光电转换电路设计光探测器是接收光的关键器件，它的功能是把光信号转换为电信号。目前常用的光检测器有PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)．2.2.1光电二极管的工作原理光电二极管(PD)把光信号转换为电信号的功能，是由半导体PN结的光电效应实现的。在PN结的界面上，由于电子和空穴的扩散运动，形成内部电场。内部电场使电子和空穴与扩散运动方向相反的漂移运动，最终使能带发生倾斜，在PN结界面附近形成耗尽层。当入射光作用在PN结时，如果光子的能量大于或等于带隙(H仑Eg)，便发生受激吸收，即价带的电子吸收光子的能量跃迁到导带形成光生电子一空穴对。在耗尽层，由于内部电场的作用，电子向N区运动，空穴向P区运动，形成漂移电流。在耗尽层两侧是没有电场的中性区，由于热运动，部分光生电子和空穴通过扩散运动可能进入耗尽层，然后在电场作用下，形成和漂移电流相同方向的扩散电流。漂移电流分量和扩散电流分量的总和即为光生电流。当与P层和N层连接的电路开路时，便在两端产生电动势，这种效应称为光电效应。当入射光变化时，光生电流随之作线性变化，从而把光信号转换成电信号。这种由PN结构成，在入射光作用下，由于受激吸收过程产生的电子．空穴对的运动，在闭合电路中形成光生电流的器件，就是简单的光电二极管(PD)。根据结构的不同，光电二极管可分为P-N结型、PIN结型、雪崩型以及肖特基结型光电二极管(APD)。在光纤通信领域的应用中，为了克服光生载流子扩散时间长的缺点，在PN结间插入一层非掺杂或轻掺杂半导体材料，以增大耗尽区宽度W，达到减小扩散运动的影响，提高响应度的要求。由于PN结中间插入的半导体材料近似为本征半导体(Intrinsic)，当管芯加上一定反向电压后，其耗尽区便可在整个I型层展开，亦即扩展了耗尽区，而光生载流子扩散区域则被压缩，这种结构的光电二极管称为PIN光电二极管。适合于光纤通信系统应用的光检测器有PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)。APD具有雪崩放大作用、响应度高，但附加噪声大、偏置电压高、温度稳定性差、结构复杂且价格高。因此作为光功率检测的仪器一般采用PIN光电二极管作为光电转换器件，所以通用光功率计一般是采用PIN光电二极管作2.2.2PIN二极管的选择目前使用的PIN管主要有Si、Ge、InGaAs等，覆盖了从750nm到1800nm的波长范围，而PIN二极管型号的选择主要是根据所做光功率计的测量范围来确定的。常用的PIN二极管都是小信号工作器件，光敏面不合适，能接收的光功率范围很有限，所以一般不用来做光功率计的探测器。而InGaAs．PIN是一种低噪声、高响应度的光电检测器，具有较高的测量灵敏度。当InGaAs．PIN管接收光输入后，‘位于价带中电子吸收了光子而跃迁到导带，因而可产生一个电子．空穴对。该电子．空穴对若在耗尽区产生，那么在自建电场(PI管一般采用零偏压)的作用下，电子将向N区漂移，空穴向P区漂移，从而产生与输入光功率成正比的电流信号。InGaAs．PIN的光响应度可达0．8A/W，波长范围为1100nm．1700nm。故在本次设计上，基于暗电流、上升时间、带宽、偏置电压等综合考虑，我们最终采用InGaAs-PIN。表2.1Si、Ge、InGaAs-PIN光电二极管的通用工作特性参数从表中可以得到，InGaAs-PIN用于长波长(1.3um和1.55um)系统，性能非常稳定，通常把它和使用场效应管(FET)的前置放大器集成在同一基片上，构成PIN．FET接收组件，以进一步提高灵敏度，改善器件的性能。这种组件已经得到广泛应用。新近研究的InGaAs-PIN的特点是响应速度快，传输速率可达到十几Gb/s，适用于高速光纤通信领域，下图为PIN光电二极管响应度与波长的关系。图2.2PIN光电二极管响应度与波长的关系2.3放大滤波电路的设计由于PIN二极管产生的光电流很小，不能直接用于测量，所以需要通过适当的低噪声放大后，再进行数据处理。光电探测器件往往都紧密连接一个低噪声前置放大器，它的任务是：放大光电探测器件所输出的微弱电信号：匹配后置处理电路与探测器件之间的阻抗。对前置放大器的要求是：低噪声、高增益、低输出阻抗、足够的信号带宽和负载能力，以及良好的线性和抗干扰能力。在结构上要求紧凑、靠近探测器件，良好的接地与屏蔽。低噪声前置放大器的设计，同一般放大器设计的根本区别是首先满足放大器的噪声指标，