基于51单片机的光功率计的设计

2011-06-13郭子剑

山西电子技术 2011年6期

郭子剑，郭丽

(中国地质大学(北京)地球物理与信息技术学院，北京 100083)

1 背景概述

1.1 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1mW=0dB，而小于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。

1.2 使用分贝做单位主要有两个好处

(1)数值较小，便于记录。电路放大倍数通常数量级较大，有些大型电路甚至达到万级以上。用分贝表示时，先转化为对数，数值较小，便于记录。(2)运算方便。放大器级联时，总的放大倍数是各级相乘。用分贝做单位时，总增益就是相加。如果某个功率放大器第一级的放大倍数是100倍(20dB)，第二级是20倍(13dB)，则总功率放大倍数为2 000倍，总增益33dB。

1.3 光功率计的设计要点

针对实际应用，要选择适合的光功率计，应该关注以下各点:

(1)选择最优的探头类型和接口类型。

(2)评价校准精度和编写校准程序，与光纤和接头要求范围相匹配。

(3)确定这些型号与测量范围和显示分辨率相一致。(4)具备直接插入损耗测量功能。

2 实验器件

光功率计探头(光电传感器)，P89V51单片机实验板，RC低通滤波电路，TL074，CS5550，导线若干。

3 各功能模块详解

图1 系统流程图

3.1 光功率计探头

光功率计探头，是光信号转换为电信号的核心部件。探头带有光电传感器，用来接收被测光源的辐射并将其转换为电流信号。探头采用双线正负两个端口输出。当被检测光源强度发生变化时，传感器输出的电流会随之改变。我们通过对电流量变化进行转换分析最终获得外部光源的光功率变化参数。

3.2 I/U 变换

光功率探头输出小电流信号。电流信号与电压信号相比，长距离传输抗干扰性能较好。但是由于本次试验距离较短，同时为了与后面电压放大器相匹配，所以要转换为电压信号。连接时，光功率探头的输出正端口接入转换电路输入端，负端口与I/U变换电路共地连接。图2电路图中，J1为档位调节开关。

图2 电流电压转换电路

3.3 运算放大电路

将电压信号通过仪用放大器进行放大。仪用放大器设计简单、放大效果好并且能够通过滑动电阻调整增益，便于实时调节电压信号、保护ADC芯片的输入量程、保护电路等。

关于放大电路和I/U信号转换电路中运放芯片的选取，本设计采用TL074芯片。TL074芯片低功耗，低成本，拥有较低的输入偏置和低噪声，高输入阻抗及电流补偿，同时是具有内部频率补偿的一款常见芯片。电路设计如图3所示。

图3 电压放大电路

图3中电阻阻值R11=R10=R=R13=R12R7=R9

3.4 低通滤波器

由于光电信号的变化属于低频范围，并且通过放大器引入的噪声不大，频率成分比较单一，滤波器阶数不需要太高，所以普通有源低通滤波器就可以满足实验的去噪要求。

3.5 AD 转换电路

由于光信号为低速信号，我们选用CS5550与单片机相连接。

CS5550是CIRCUS LOGIC公司出的一款双通道Δ-Σ串行AD芯片。芯片具有促进补偿和校准增益的功能。同时，具有SPI数字双向串行接口可以与单片机等MCU设备连接通讯。

图4 CS5550总线写入数据时序图

CS5550串行端口与配有收发缓冲器的状态机相配合。由状态机负责在SCLK的上升沿翻译8位字节命令。ADC的工作都是由内部24位寄存器所控制。

8位读写命令告诉状态机是否进行寄存器的访问。在读出操作时，对应寄存器被载入芯片的输出缓冲器，同时在时钟SCLK的控制下输出。在写入操作时，数据在时钟控制下写进输入缓冲器，所有24位数据在第24个SCLK之后完全转换入对应寄存器。

SPI串行总线接口

CS5550串行总线包括四个控制线:CS，SDI，SDO和SCLK。CS作为芯片选择控制，用于使能对于串行接口的访问。当CS为低电平时，端口成为SPI总线端口。SDO用作串行输出，用于输出被AD转换器转换后的数据信号。当CS置为高电平时，SDO的输出成高阻状态。SCLK用作串行总线时钟，控制数据进出ADC的串行端口。只有在CS为低电平之后，SCLK的变化才可以被端口逻辑所识别。

关键代码如下:

//外部中断服务函数