【摘 要】介绍了基于AD8304对数放大器的数字光功率计的设计原理及方法，提出了提高测试精度的硬件及软件的实现方法，针对高校实验教学环节，设计了开放型电路以供学生学习和实验，该光功率计具有软件设计简单，电路设计简洁，易于校准，测量精度高等优点，非常适合学生对光测量设备电路的掌握，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该类设备的设计，具有较高的理论参考意义和实际应用价值。
【关键词】光功率计；对数放大器；实验教学
0 引言
用来测量光功率的仪表称为光功率计[1]，它可以用于测量绝对光功率或通过一段光纤的光功率相对损耗。用光功率计与稳定光源组合使用，能够测量连接损耗、检验连续性，并帮助评估光纤链路传输质量。常用于测量光纤、光缆和各种无源光器件的光损耗，应用广泛。
一般的光功率计原理是PIN光电管作为接收端接收光输入，并产生与输入光功率成正比的电流信号，经I/V变换和程控放大等线性放大电路放大到一定的电压，经A/D转换器转换成数字信号送单片机进行数据处理与校准，用软件完成对数转换计算，最后得到被测光功率的对数值，并将结果显示出来。采用这种设计的光功率计动态范围小，要求使用高精密电阻作为增益放大，存在换档误差，软硬件复杂，需进行对数转换和量程切换处理。而对数放大器可以在很宽的动态范围内保持精确的测量，宽动态范围信号经过压缩之后，使用较低分辨率的测量电路即可实现信号测量。本文所介绍的数字光功率工作波长1310nm，采用对数放大器放大PIN光电管采集的电流信号，其输入和输出呈对数关系，通过硬件即可实现对数转换功能，从而使软件设计非常简单，只需完成A/D转换和波长校准。电路设计也非常简洁，易于校准，测量精度高。
对高等院校光信息科学与技术专业来说，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合适的专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设计了扩展电路，以供学生学习和实验。该数字光功率计不仅可在实验室教学中对光功率进行测量，又可直接对光功率计的部分电路进行再设计和验证，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。
1 工作原理
该光功率计采用PIN光敏二极管、AD8304对数放大器、ADC0809模数转换器和STC89C51单片机来满足系统的测量要求。其原理框图如图1所示。PIN光敏二极管将光信号转变为电流信号，通过对数放大器来放大微弱的电流信号，并输出与输入光功率的成正比的电压信号，再通过A/D转换，将模拟信号变成数字信号，送入单片机进行处理，用LCD显示光功率值。
图1 光功率计原理框图
光电二极管与对数放大器之间设开放口由一刀双掷开关控制，当用于测量使用时切换到测量端；当用于实验教学时切换到实验端。对数放大器的输出端设置测量点。对数放大器与A/D转换器间设开放口由一刀双掷开关控制，当用于测量使用时切换到测量端；当用于实验教学时切换到实验端。
2 光功率计的电路设计
2.1 光电转换器
光电转换由半导体PN结的光电效应实现，当被测光照射到光探测器上时，产生相应的光电流，即将光信号转成电流信号。不同波长的光作用于同一种半导体材料的电导率不同，不同材料的半导体对波长的响应范围也是不同的，当波长大于截止波长的入射光作用于半导体材料时无响应。目前使用的PIN管主要有Si、Ge、InGaAsP和InGaAs四种材料。其中Si材料截止波长在900nm附近，波长响应为0.4～0.9λ/μm；Ge材料的截止波长在1500nm附近，波长响应0.8～1.5λ/μm；InGaAs材料的截止波长在1600nm附近，波长响应1.0～1.6λ/μm。PIN光电二极管响应度ρ与波长λ的关系如图2所示。
图2 PIN光电二极管响应度ρ与波长λ的关系
考虑到本光功率计的探测范围要覆盖1310nm波长区域，因此应该选用InGaAs材料制成的光检测器。在此设计中，选用的是InGaAs-PIN（PIN30723）光电二极管。它具有超低的暗电流、高灵敏度、宽工作电压和很长的插接寿命等特性。
光电二极管与对数放大器之间设开放口，由一刀双掷开关控制，当用于测量使用时切换到测量端，此时系统使用InGaAs-PIN光电二极管；当用于实验教学时切换到实验端，学生可将Si-PIN光电二极管和Ge-PIN光电二极管分别插入开放端口，对数放大器的输出端设置测量点，可供学生测量输出电压，用以验证不同材料的光电二极管对波长的响应。
2.2 对数放大电路
AD8304对数放大器针对光纤系统中的低频信号功率测量进行了优化。它采用先进的跨导线性技术，可提供多样、易用的极宽动态范围。有专门的光电二极管接口，内部集成了温度补偿电路，提高了转换精度。AD8304内部由两部分组成：对数比转换器和线性运算放大器。由于光电二极管输入的是微小的电流信号，对数放大器完成电流到电压的对数比转换。为了适应不同的A/D转换输入电压的要求，运算放大器作为缓冲级可用来调节这一电压值[2]。对数放大器的输出电压值和被测功率值P有简单的线性对应关系。
由对数放大器输入和输出关系可以推导出传递函数为：
Ｐ＝Ｋ■Ｖ■＋Ｃ■（2-1）
式中：Ｐ＝１０１ｇＰ■，Ｋ■＝■，Ｃ■＝１０１ｇ■－１０■
式中V■是AD8304输出电压；I■是光电二极管输出的电流；K■和C■是常数，由芯片外部所接电阻网络决定；ρ是光电二极管的响应度；P■是输入的光功率值。可以看到，P■单位取mW时P的单位即为dBm。而且式子中K■和C■是常数，所以输出电压值V■和被测功率值P(以dBm表示)就成为简单的线性对应关系。不用进行繁琐的对数运算，使得后继的程序处理和结果计算变得简单。对数放大部分的电路图如图2所示。
图2 AD8304对数放大电路设计图
对数放大器与A/D转换器之间设开放口，由一刀双掷开关控制，当用于测量使用时切换到测量端，此时系统使用AD8304对数放大器；当用于实验教学时换切到实验端，学生可自行设计AD8304对数放大电路，修改软件程序，并进行校准。对数放大器的输出端设置测量点，可供学生测量输出电压。
2.3 模数转换、单片机数据处理、液晶显示
模拟信号经对数放大器处理后得到电压信号，把电压信号送入模数转换器将模拟信号转换成串行数字信号，模数转换器芯片选用的是ADC0809，ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型D/A转换器、逐次逼近寄存器、三态输出锁存器等其它一些电路组成。由单片机软件程序控制模数转换的过程，提高了转换的实际精度。送入的模拟信号经过ADC0809后产生的串行数字信号送给STC89C51单片机进行数据处理。
STC89C51单片机是抗干扰/高速/低功耗单片机，指令代码完全兼容于传统8051单片机，单片机数据处理是实现光纤光功率测量的核心部分，这里只需要完成控制A/D转换和波长校准。经过一系列数值运算后得到当前采集到的光信号的功率值，并送液晶显示。
液晶显示就是将单片机送来的当前光纤中光功率值通过单片机程序模块用数字的形式在液晶显示器上显示出来，这里选用的是LCD1602字符型液晶显示模块，LCD模块接口有数据总线、数据和指令读写线，采用直接控制方式将LCD读写线和MCU的读写线相连。
控制A/D转换的程序对数据处理的方式为：根据ADC采集值转换为光功率值的方法存放在单片机中，ADC值为经PIN管光电转换和AD8304处理过的经ADC0809模数转换器转换出串行数字信号。用于计算的数据库有三种，一种是ADC库，一种是K库，一种是C库。其软件转换的方法是将模数转换器转换出来的ADC值与ADC库进行对比，设n=0，ADC库中存放的测试点总共为S，转换过来（下转第108页）（上接第48页）的ADC值为ADCx，ADC为ADC库中存放的数据。写一查找表程序使n从0至S，当ADCn<=ADCx 3 测量系统的校准方法 根据硬件设计可知，AD8304的对数输出与输入信号具有很好的线性，因此选择光功率校准单位为dBm，校准时，将相同波长由小至大不同光功率的光经1:1分路器分路，分别输入至自制光功率计和标准光功率计。 程序控制ADC0809获得模数转换出来的ADC值，同时输入作对比的标准光功率计上测到的光功率值。理论上只需测量两点光强，根据两点斜率公式可推算出K和C。 记录每两校准点的ADC值与所对应的K与C值，由公式Y=Kn×ADCx+Cn可计算出ADC值所对应的光功率(光功率需在两校准点之间)。在实际应用中，在常用的光功率测量段如-40dBm～0dBm，可增加校准点以提高校准精度。 4 结果语 该光功率计采用对数放大器放大PIN光电管采集的电流信号，其输入和输出呈对数关系，通过硬件即可实现对数转换功能，从而使软件设计非常简单，电路设计也非常简洁，易于校准，测量精度高。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该类设备的设计原则，具有较高的理论参考意义和实际使用价值。 【参考文献】 ［１］汤怀京．光纤链路现场测试不一样[N].中国计算机报，2002－02－25. ［２］孟波.对数比放大电路在精密光功率计中的应用[J].电光与控制，2008年10月，第15卷,第10期. ［责任编辑：王迎迎］