基于AD7715的可扩展型高精度数字光功率计

0 引言
    光功率计作为一种测量光信号功率的精密仪器，被称为光学中的万用表，在当代高速发展的光纤通信工程及其相关科学实验和教学中起着重要作用。它即可用在各类科研实验中测量光功率，判断光信号的传输衰减与损耗，也可用于光纤通信工程中对光信号传输进行检测与判断。现今各类高等院校电子与通信类相关专业都开设了《光纤通信》课程，所以光功率计是一种必不可少的实验仪器。由于目前市场上没有专门用于实验室教学的光功率计，学生在使用的过程中缺乏对该仪器原理及其构造的了解。本文所介绍的数字光功率计技术先进，不仅可用于实验室教学对光功率进行测试，又可直接针对光功率计的相关电路进行测试以及对部分电路进行重新设计验证，从而让学生在了解光功率计的工作原理的过程中提高实际动手能力。同时也能满足光纤工程应用时对光功率计性价比、测量精度、使用稳定性、操作灵活性、体积等方面要求，充分利用有限资源实现一机多用的目的。

1 系统硬件设计原理图
    硬件电路主要由光信号采集放大模块、A／D转换模块、主控制模块、显示模块及其他电路模块共五大模块组成，其原理框图如图l所示。为了增加仪器的测试范围，在I／V电路中增加了由MCU控制的多路开关，实现大信号小放大、小信号大放大；为了增加测试精度而选用16位的模数转换器AD7715作为AD转换芯片。

2 主要电路模块设计
2．1 光信号采集电路与滤波
    为了减小光电二极管的暗电流噪声，光电二极管工作在光伏模式。系统中的光信号采集电路采用四路集成运放对PIN探测器扑捉到的电信号进行放大、I／V转换、滤波和自动量程转换控制。由于光电检测器转换的光电流很小且变化范围较大，当放大器增益固定时会出现小信号得不到有效放大而降低A／D转换的精度。同时AD7715的模拟输入端要求的电压输入必须限定在0~5V的范围，这就要求根据光电流的大小适当地调整放大倍数。通过单片机对多路模拟开关的控制，实现自动量程选择，电路如图2。

滤波电路使用的是相关设计软件所设计的巴特沃斯有源低通滤波器，该电路为可扩展性电路：由一刀双掷开关控制。当用于工业测量使用时打开开关，此时系统使用固定滤波器；当用于实验教学时闭合开关，学生自行设计滤波器以此来提高理论设计和实践动手能力，实验证明该方式能达到预期的目的，且对工程应用时的精度影响很小，电路实现如图3所示。

2．2 A／O转换电路
    A／D转换器是决定数字光功率计精度的主要因素，根据设计精度(±2％)和测量范围(1nW～lOmW)的需要，选用16位串行高精度低功耗的A／D转换器AD7715。该芯片是一款高档多功能16位AD转换器：极佳的静态性能、16位无误码、±0．0015％精度和低rms噪声(<550nV)。它只需要很少的外部元件就能构成完整的信号采集电路，且理论上完成一次信号转换的时间小于2ms。在实际电路应用中，16位数字量输出采取8位操作模式，即16位转换数字量分两次读取，先读取数据高8位，再读取低8位。转换开始后，当DRDY端由低电位变为高电位时即完成一次转换，数据通过DOUT端传入单片机进行数据处理与控制，单片机读取数据结束后DRDY端恢复高电平等待下次转换。A／D转换电路图如图4。

2．3 主控及显示电路
    主控显示电路如图5所示。系统采用STC89C516RD+单片机为主控制器，显示单元以LCDl602A液晶显示屏与单片机采用8位并行传输连接。LCDl602A的D0~~D7为8位双向数据线，BLA背景灯电源供应端，VL液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，电路通过一个电位器调整对比度。同时考虑到在工程实际应用的时候，为方便工程人员使用，加上了背景灯控制开关。

3 系统软件设计
    系统软件采用了C语言进行编程，主要有AD转换设置、量程自动选择设置、按键选择、数据处理及显示设置五部分组成，其程序流程图如图6所示。

4 硬件与软件减小误差方法
    电路中的噪声是影响光功率计误差的主要因素。为了减小误差，系统把InGaAs光电二极管工作在光伏模式，降低暗电流的影响；采用性能更好的滤波器和高精度电阻减小系统噪声；采用电路板屏蔽层的减小电路噪声；利用精度高的光检测设备和万用表提高测试精度和修正误差。
    由于光电二极管的光电响应曲线实际并不是严格的线性关系，这样在程序的编写上如果把光电二极管的响应度设置成一个常量，就会产生误差。在本设计的软件编程中，采用了“函数补偿法”，用来提高光功率计的测试精度。“函数补偿法”就是利用高精度的光功率计和万用表，首先测试将要使用的光电二极管的光电响应曲线，然后根据实际测试的情况把响应度划分为数段，用一个线性常量来描述总体响应趋势。通过数学计算，用一个非线性函数补偿光电二极管的非线性响应，使光检测数据更加逼近实际的光电二极管的光电响应曲线。

5 结束语
    通过实际教学和工程使用表明：该光功率计具有扩展性好、精度高、稳定可靠等优点，非常适合学生对光测试设备电路的掌握，满足高校实验教学对综合性和设计性实验的要求；同时本光功率计的设计方法和思路同样适用于便携式设备的设计原则，具有很高的理论参考意义和实际使用价值。