低功耗高精度光功率计设计

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  摘要:提出一种高精度低功耗的光功率计设计方案。通过AD 转换器将前端处理好的模拟信号进行采样,通过单片机模块将采集到的信号根据光电检测器的曲线特性进行补偿处理,主要模块的芯片采用ICL7650 和MSP430F133,利用MSP430 的低功耗以及ICL7650 高增益、高共模抑制比、失调小和漂移低等特点,来达到低功耗、高精度的光信号功率测量的目的。文中给出了总体方案描述,介绍了硬件总体设计,并进行了电路设计分析以及实验测试,各项实验结果均达到指标要求。

  1. 引言

  目前,随着光纤通信技术的飞速发展,光纤测试设备也同步发展起来,光纤通信本身对于传输光的监测与测量显得尤为重要。光纤光功率计是测量光功率大小的仪器,目前国内外同类测试仪器存在价格偏高且测量精度偏低的不足。针对光纤的各项测试的实际需要研制了精密光纤光功率计,此项设计提高了测量精度同时大大降低了成本。随着科学技术的发展,光电检测技术已广泛应用于军事、工业、农业、宇宙、环境科学、医疗卫生和民用等诸多领域。其具有能进行远距离、非接触、快速、高灵敏度的检测和传输的特点,还具有检测信噪比高、抗干扰能力强、信息容量大等优点。采用光电检测方法的共同特点是:被研究的信息通过各种效应(机、热、声、电、磁)调制到光载波上,再将这些有用信号解调出来,实现光信号→电信号的转换,各种光电检测电路是实现光电变换的重要环节。本文阐述了光纤光功率计的硬件电路设计及单片机数据处理程序流程图。

  2. 总体设计

  2.1 总体设计方案

  设计指标为该光功率计可以对1310 到1550 波长的激光进行测量,功率显示与dbm 显示转换,根据测量曲线对数据进行自动量程转换与自动补偿。要求所有元件工作效率高,消耗的功率低,符合微功耗设计。在由一节AA 电池供电情况下可以工作数月,各模块具体功能如下:

  (1)光电转换模块负责将接受到的激光转换为电信号输出,一般输出为电流信号,送到下**进行I/V 变换与程控放大。

  (2)程控放大部分作用是将检测到的光电信号进行自动放大到AD 转换器适合转换的电压电平以提高测量精度和准确度,单片机通过判断AD 采样得到的数值控制放大器的量程转换。

  (3)AD 转换是将前端处理好的模拟信号进行采样,再由单片机读取对数据进行处理显示。

  (4)单片机模块主要作用是将采集到的信号根据光电检测器的曲线特性进行补偿处理,然后显示在液晶显示器上。

  (5)键盘控制测量激光波长的转换和功率显示与dbm 显示的转换。

  (6)电源模块负责供给各模块工作所需要的电源。

  2.2 光功率计硬件总体设计

  为了满足以上各功能要求,可将光功率计初步划分为如下几大模块进行设计,主芯片选

  择及各模块之间的逻辑关系。

  (1)CPU:选用德州仪器公司(TI)的MSP430 单片机系列的MSP430F133,选用该处理器有如下几个特点方面的考虑:

  (a)有比较丰富的IO 接口资源。

  (b)自带ADC 模数转换模块,省去外接ADC,降低了功率消耗与生产成本。

  (c)多时钟设计,有效降低CPU 工作所消耗的能量。

  (d)超低功耗,非常实用与电池供电的手持设备。

  (2)液晶:采用HD44780(KS0066)系列控制芯片的字符模块,是低功耗CMOS 技术制造的大规模点阵LCD 控制器(兼带驱动器),在工作电压为5V 条件下电流为2mA,在本设计电压为3.3V **耗更低。

  (3)电源:主电源采用凌特公司的高效率DC-DC 模块LTC3525-3.3,转换效率达95%。运算放大器ICL7650 与模拟开关74HC4052 所用的负压由ICL7660 产生。

  (4)程控放大:主要部件为斩波稳零式高精度运算放大器ICL7650 与CMOS 工艺模拟开关74HC4052 将光信号转换成与A/D 采样所需求的匹配信号。

  3. 电路设计分析

  电路是ICL7650 在光信号功率检测的前置放大电路的应用。由于输入的模拟信号变化范围较大,通常不是MSP430 内部AD 部分所要求的范围,所以在高精度、高要求的AD 采样过程中,为使输入的模拟信号与AD 采样所需求的信号相匹配,通常在AD 采样前加入前端调理电路,以缩放和平移要采样的信号,从而使调理后的信号适合A/D 转换器的模拟输入要求。如上图2 所示,微弱光信号通过光电二极管转化成弱电流信号,通过模拟开关控制(如CD4051)放大倍数,同时将放大倍数以3 位数字信号形式提供给MSP430

  进行处理。根据反向比例放大器的工作原理,电压增益为

  1 R

  A Ri

  u = ? ,(式中i R 为实际接入回路的电阻值,如图2 取值范围为R11 至R17)使信号与AD 采样所需求的信号相匹配。再将信号通过二阶有源低通滤波器滤去少量的高频分量。同时在电路设计是还应该在模拟信号(signal out)输出点加上一个接地电容,防止应模拟开关的转换而使模拟信号波形产生毛刺现象。*后将信号通过调零电路后送入MSP430 进行采样。主要硬件结构框图,光信号经过光电转换放大至与MSP430F13X 内部12 位A/D 转换模块相匹配的电压后,转换成数字信号,再进行计算处理后将*终所得结果通过LCD 显示。所以*终测得功率为W=a*b(a 为模拟信号经AD 转换后的值,b 为放大倍数,即模拟开关3 位地址的值)。在程序中要考虑到AD 转换的量程及光电转换器对光的E-I 线性度时,设置好*佳AD 转换范围0 b ~ 1 b ( 0 b

  if(b> 1 b )

  a=a<7?a+1:7;

  if(b< 0 b )

  a=a>0? a: 0;

  ADC12CTL0 |= ENC;

  _EINT();

  为消去硬件带来的噪声干扰,在设计程序时采用多次采样取平均值的方法。因为噪声的平均功率几乎为零。当采样点越多就精确,MSP430 的高采样频率满足要求。设采样次数为m,采样中断程序如下:

  #pragma vector=ADC_VECTOR

  __interrupt void adc12(void)

  {

  if n

  {

  data=data+ADC12MEM[i];

  n++;

  }

  ref_data=data/m;

  data=0;

  n=0;

  }

  4. 实验结果

  通过实验,该光功率计测量范围为-70dBm~+10dBm,其动态范围大于80dB,分辨率为0.001dB,线性度优于0.02dB,背景噪声为0.68nW,校准精度为±0.12dB,能够测量光纤及接头损耗随温度的微弱飘移、暂时的微小变化、以及光传感器上轻微的功率改变。不仅能够测量连续波光信号,而且对于测量调制光信号也有较好的表现。综上所述,我们能够看到,该设计方案能够有效的检测微弱光信号,并且提高了测量精度和设计成本。

  参考文献

  [1]坂田力弘(日本)。光通信领域的光功率测量。通信世界,2007.5

  [2]祖晓明,王红茹,赵长有。精密光功率计的设计[J]。哈尔滨工业大学学报,2003.35(3)

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  [4]徐宝强,杨秀峰,夏秀兰。光纤通信及网络技术,1999.10

  [5]魏小龙。MSP430 单片机接口技术及系统设计实例.。北京航空航天大学出版社,2002.11