基于PIN光电二极管的光功率计

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随着传感器控制技术更加现代化，以及光纤通信日益普遍化，对光信号的光功率检测及进行数字化控制则尤为重要。光功率计是广泛应用于实际光纤通讯和科学实验中，检测系统的功率、衰减、损耗等技术指标的常用仪器 j。为了改变传统光功率检测在动态范围较小，要求增益放大电阻精密度高以及存在放大切换的误差等不足口J，根据 PIN光电二极管的响应特性，通过对微弱光信号进行对数比运算放大的处理，经过单片机89C51数据修正处理，同时结合 LCD显示技术，设计了光功率检测计。

1 工作原理光信号经PIN光电探测器将其转换变为电流，经 L/V变换及前置放大处理后再将该模拟信号经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。光功率计的基本工作原理框图如图1所示。

基金项目：黑龙江省青年骨干教师支持计划”(1251G023)收稿日期：2012-08-24 收修改稿 日期：20t3-04-08图1 光功率计原理框图1.1 光探测器光电检测器是光电转换的核心部分，是影响光功率计的性能重要因素，在文中以光电二极管作为光电检测的传感器。设计中必须考虑光功率计性能的各主要参数：暗电流、检测波长和绝对响应度，暗电流是衡量探测极限值的-个重要参数。检测波长决定所能检测到光信号的类型；响应度决定光电流与光功率之间的关系，由光功率P产生的电流为：iR0P式中 为光电二极管的响应度。

目前使用的PIN管主要有si、Ge、InGaAs等，覆盖了从750～ 1 800 nin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。在设计中采用InGaAs-PIN光电二极管。InGaAs-PIN是-种低噪声、高响应的光电检测器，具有较高的测量灵敏度。InGaAs-PIN的光响应度可达0.8 A/W，波长范围为1 100-1 700 nm J。故在该次设计Instrument Technique and Sensor Jun.2013上，基于暗电流、上升时间、带宽、偏置电压等综合考虑，采用InGaAs-PINt。

1.2 低噪声前置放大电路设计为了获得良好的噪声性能、通常还采鹊低干扰的多种措施。低噪声电路中，-般都选用金属膜电阻器和绕线电阻器 ，选用损耗较小的云母电容和瓷介电容来降低噪声，在大容量电容中，选用漏 电流很小的钽电解电容。改多点接地为单点接地，这样就切断了地环流的干扰。通常在浮地端再用-个1-10 k12的电阻或-小电容接地，以加强对空间电磁场的屏蔽效果 。

设计采用了输入和输出呈对数关系的对数放大器作为前置放大器，这样可以有很大的动态范围。通过对数放大器可以使较低分辨率的测量电路实现信号精确测量 。在设计中采用AD8304芯片，这是-款动态范围为80 dB的对数比放大器，内部集成了温度补偿电路。从功能上讲，其内部由对数比转换器和线性运算放大器构成。由对数放大器输入和输出关系可以得到： K。lg[ ]cl (1)j z，PDpPPD (2)式中：u叭n为AD8304的输出电压；， D为光电二极管输出电流；，z为光电二极管截止电流，-般为常数； 和 c2为常数，由芯片外部所接电阻网络决定；p为光电二极管的响应度 ；P 。是输入的光功率值，mw。

将式(2)代入式(1)中可得：P： C2 (3)，式中 Cz101g[ ]。

P光功率有2个常用单位：dBm和mw，2个单位的相互转换关系为：P(dBm)lOlgPPD(mW) (4)可以看出，当式(3)中的输入光功率值的单位取 mw 时利用式(4)进行转换，其符号为P 。，而输入的光功率值的单位为dBm时，则可以直接利用式(3)进行计算，其符号为P.显然，c为常数，所以输出电压值 和被测输入光功率值就成为简单的线性对应关系。电路设计如图 2所示。

图2 对数比放大电路1.3 A/D转换相对于传统的积分型和逐次比较型A/D实现起来难度较大、且成本很高的不足，该设计采用近年来兴起的∑-AA/D转换技术，其能以较低的成本获认高的分辨率。AD7705为比较典型的-种 A/D转换芯片 。采用AD7705足够满足设计精度及测量范围(-70-10 dBm)的需要。模拟信号经过 A/D转换的结果由串行接口与单片机相连，实现数据的处理与控制。

1.4 单片机控制及 LCD显示设计中采用了89C51作为主控芯片，具有抗干扰、高速/低功耗的特点，指令代码完全兼容于传统8051单片机。

功能键是人机交互式处理系统中不可缺少的部分，设计中采用了开关控制键、功率显示控制键、功率分贝显示键及被测光波长选择键等。其中电源开关的功能是在开通时提供 5 V电压时，同时给单片机-个复位操作。功率显示控制键的作用是将检测的信号以功率的形式显示在屏幕上，即(mw)形式。

功率分贝显示键的作用是将检测的信号以分贝的形式显示在屏幕上，即(dBm)形式。被测光波长选择键选择合适的响应度来计算不同波长的光功率。

为更好地对光功率检测结果进行显示，设计中采用了通用性好、功能强大的液晶驱动 D7225G来驱动定制的液晶屏显示测量结果。

2 软件流程及数据处理光功率计从功能上看由A/D转换 、按键处理、数据处理组成。软件流程如图3所示。

图 3 系统软件流程图由式(3)可知，经对数放大后的电压值和输入光功率呈线性关系，而 A/D转换也是线性变换的，所 以在式 (3)中 AD，D是A/D转换的十进制表示。所以式(3)变化为：PKsADC2 (5)式中：A为A/D最小量化间隔，AVo /2 ；Vo 为光功率计的量程 。

令式(4)中KsAK3，C C，，则有：PK3DC3 (6)为了保证精度，可以在每-波长中按功率值分成几段，每- 段对应-个 和c3值。这样可以改善光电二极管的线性度，提高光功率的检测精度。数据处理就是把A/D传来的值和第6期 周真等：基于PIN光电二极管的光功率计 45每-分段边界值比较，确定属于哪-段，再选择它所对应的和c，值，根据式(5)来计算光功率值。每-段边界的A/D值可由试验得到。

3 光功率计的校准通用测试工具要有-定的标准，光功率检测系统所采用的光电检测器，电路元件都有-定的容差，如果不加校准，则在测试同-个信号时或多或少会存在-些差别，所以测试工具必须通过严格的校准。

对光功率计的校准采用直接比较法，在选取的定标点(-10 dBm，即0.1 mw)进行检定。用光纤 和连接器连接 LD(激光二极管)光源、可变衰减器以及标准光功率计，先调节可变衰减器LD光源功率使标准光功率计显示为规定值，再用被检光功率计替代标准光功率计来测量光源的光功率，比较二者的测量结果 ，其原理框图如图4所示 。

图4 光功率计校准示意图实际应用中，不同的标准光功率源在每-功率值段内算出的修正值，这样光电二极管的响应度可用 G 的修正值替换即可。修正值可用多次平均值。修正前后绝对误差曲线比较如图5所示。从图5可以看出，在 -70-10 dBm(0.1-10mW)功率范围内、通过修正可以将精度提高到0.1 dBm、分辨率提高到0.01 dBm。

4 结束语设计中采用高性能 InGaAs-PIN光电探测器、高速单片机89C51保证了光功率计的测量精度(0.1 dBm)，采用对数比放大器则保证了其动态范围达到了80 dBm，而采用的16位的高精度的A/D转换芯片使分辨率达到0.0l dBm.该设计具有成本低、维护简单、误差小等诸多优点，可满足高校实验室的教学和光通讯中的检测要求，具有广阔的市场应用前景和参考价值。

暑∞ 槲寝(a)功率修正前的绝对误差输入标准功率/dBm(b)功率修正后的绝对误差图5 功率值修正前后的绝对误差比较