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1、光功率计的设计组员：刘浩 张硕1. 背景概述与定义1.1概述：光功率计主要用于测量光信号的强弱，目前测量光功率的方法有两种，一种是热转换方式，一种是半导体光电检测方式。前一种的光谱响应曲线平坦、准确度高，但是成本高，响应时间长，用半导体光电检测可以得到比较高的探测灵敏度和响应速度。光功率计在光通信和光纤传感等新技术领域中测试中测试光功率光衰减量是必不可少的仪器之一。同时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，使用操作也比较复杂。1.2光功率定义： 光功率是光在单位时间内所做的功。光功率常用单位 是毫瓦(mW)和分贝(dB)，其中两者关系为lmW=0dB，而 小
2、于1mw的分贝为负值。例如，在光纤收发器或交换机说 明书中，有其产品的发光和接收光功率，通常发光小于0dB。 接收端所能够接收的最小光功率称为灵敏度，能接收的最大 光功率减去灵敏度的值称为动态范围，发光功率减去接收灵 敏度是允许光纤损耗值。2设计目的与设计要求：基于光电转换器件的光强度的测量，设计光接收电路，并进行光电转换，再设计放大电路、滤波电路、AD 转换电路及微处理器电路，对测量光的光强度进行标定，最终实现光强度的测量，系统要求精度为 1mW。3. 主要器件的选择：3.1 微型处理器的选择：微型处理器选择为MCS-51系列单片机：MCS-51 系列单片机产品有 8051，8031，875
3、1， 80C51，80C31 等型号（前三种为 CMOS芯片，后两种为 CHMOS 芯片），它们的结构基本相同。其功能结构： 一个 8 位 CPU； 一个片内振荡器及时钟电路； 4K 字节 ROM 程序存储器； 128 字节 RAM 数据存储器； 两个 16 位定时器/计数器； 可寻址 64K 外部数据存储器和 64K 外部程序存储器空间的控制电路； 32 条可编程的 I/O 线（四个 8 位并行 I/O 端口）； 一个可编程全双工串行口； 具有五个中断源、两个优先级嵌套中断结构。3.2 运放的选择： LM741：LM741（单运放）是高增益运算放大器，差模信号范围和低失调电压调零能力与使用适
4、当的电位。3.3三极管的选择：PNP8550三极管8550是一种常用的普通三极管。 它是一种低电压,大电流,小信号的PNP型硅三极管。 8550三极管（TO-92封装）管脚图1、发射极2、基极3、集电4. 方案简述：4.1方案一：基于光电二极管的光功测量4.1.1 光电探头的选择：光电二极管：PD333-3C响应波长为4001100nm，具有高响应速率、高光电灵敏度等特性。4.1.2 AD转换芯片的选择：TLC549是8位串行A/D转换器芯可与通用微处理器、控制器通过CLK、CS、DATA OUT三条口线进行串行接口。具有4MHz片内系统时钟和软、硬件控制电路，转换时间最长17s， TLC54
5、9为40 000次/s。总失调误差最大为0.5LSB，典型功耗值为6mW。采用差分参考电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换范围，VREF-接地，VREF+VREF-1V，可用于较小信号的采样。4.2 方案二：采用集成光强感应芯片采用已经有的集成光强感应芯片，如下图所示。BH1710FVC内置了16bitAD转换器,可对广泛的亮度进行1勒克斯的高精度，内置A/D转换器，测定照明度数字值可以直接输出。输出采用I2C BUS接口可以直接与单片机通讯。5方案的比较与选择：方案一的AD芯片管脚比较少，同时有4MHz片内系统时钟和软、硬件控制电路，芯片的功能能够满足设计的要求，而且使用简单、功能强大
6、。而AD0809使用时还要使用外部时钟，同时还要外接逻辑器件。在使用光电和光伏探测器件的功能上是基本一致的，就是频带响应不一样，对于可见光的潘光功率的测量二者都可以用。所以采用方案一。6方案的详述：6.1光功率计原理：本项目利用光电转换器件能够将光能量转换成电流或电压等电参量，通过后续电路对电参量的大小进行测量，采用标准光功率计对系统的测量进行标定，使得系统能够完成对光功率的测量。6.2光电转换电路：由于PIN光电二极管产生的光电流很小，不能直接用于测量，需要通过适当的低噪声放大后，再进行数据处理。光电探测器件一般都要紧密连接一个低噪声的前置放大器，用于对微弱信号的放大。这里先采用PNP三极管
7、对光电二极管的输出电流进行电流放大和电压电流转换。右面为原理图。6.3放大滤波电路用一阶有源仰低通电路进行滤波，去除电路中的干扰杂波。再用低失调电压的LM741运放对电压信号进行可选择放大倍数的放大。电路中用多路开关接不同电阻的方法来实现对放大倍数的调节。6.4AD转换模块：AD转换器可以将时间的幅值都连续的模拟量转换为离散的数字量。这个设计采用的是8位串行自带时钟的TLC549 AD芯片。电路图如下：6.5单片机控制部分：要设计采用通用的MCS51系列单片机来作主要的电路控制块。单片机实现对AD转换的控制，数据的采集显示。电路图如下，电路包含单片机的振荡电路，复位电路等。6.6显示电路设计方案：如图为LCD数码显示控制电路，显示模块为1602点阵式液晶屏幕。LCD与单片机可以直接连接，由单片机程序控制输出字符和汉字。6.7电源设计：用LM7805把+12V电压转换成为5V电压用于对单片机的供电。电路中还加了1N4007用于电路的过压保护。8.参考文献：1 康华光：电子技术基础（模拟部分），高等教育出版社， 1992。2 邱关源：电路，高等教育出版社，1999.
