基于AD8304对数放大器的高精度光功率计的设计

杨 浩，刘译文，赵笠铮，严一民

(电子科技大学 物理电子学院，成都 610054)

基于AD8304对数放大器的高精度光功率计的设计

杨 浩，刘译文，赵笠铮，严一民

(电子科技大学 物理电子学院，成都 610054)

为了避免传统光功率计测量误差较大、测量范围较窄等缺点，文中对光功率计的测量精度及范围进行了优化设计。设计中使用PIN光电二极管将光电流转化为电压值，并采用AD8304对数放大器进行对数放大，避免了使用线性放大器时显示转换误差和烦琐的对数运算。给出了光功率计的设计思路，重点讨论了AD8304对数放大器的特性及在光功率计中的应用，并通过软件对本设计的计算精确性进行了验证。

光功率计；光电二极管；AD8304对数放大器

1 光功率检测的理论基础

1.1 Si-PIN光电二极管工作原理

Si-PIN光电二极管的工作原理与普通二极管类似，为保证在无光时的稳定性，通过在PN结间渗入低浓度的Si材料增大其耗尽层的带宽；在有光照射时，PN结空间电荷区的宽度加大，使流过PN结的电流骤增，从而可以获得光生电流IS。

1.2 Si-PIN光电二极管的光谱响应度曲线

光谱响应度反映光电二极管将光信号转换成电信号的能力，定义为在电路产生的光电流IS与入射光功率P的比率，用ρ表示，单位为A/W，即

(1)

由式(1)可知，可利用光谱响应度通过测量光电流的值来得到入射光功率值。

2 光功率计的硬件设计

光功率计的硬件电路图如图1所示，主要包括：PIN光电探测器、I/V变换电路、AD8304对数放大器及滤波、A/D转换电路、单片机、OLED显示及键盘。

图1 光功率计硬件电路图

2.1PIN光电探测器

2.2I/V变换电路

本设计中采用如图2所示的I/V变换电路作为PIN二极管的前置放大电路[2]。此电路有零偏置电流、电流/电压变换、线性放大等优点。

图2 I/V转换电路图

假设PIN光电二极管的光电流为IS，由于放大器输入端的电阻非常大，可以近似为无穷大，所以IR近似等于IS。我们列出电压/电流的关系方程。

U0-U-=IS×R

由于U-=U+=0，所以

U0=IS×R

(2)

得到U0与IS呈线性关系。

2.3 AD8304对数放大器

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。它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[3]。对数放大器的输出电压值VOUT和被测功率值P的关系为[4-5]

P=K2VOUT+C2

(3)

式中：K1、C1为常数，由芯片外部所接电阻网络决定；IZ是光电二极管截止电流，在此为常数；ρ为光电二极管的响应度;IS和PPD分别为光电二极管输出的电流和功率值。由式(3)可知，输出电压值VOUT和被测光功率值P为简单的线性关系。这就避免了后续烦琐的对数计算过程，使后面的计算和程序处理变得更加简单。

为了验证AD8304对数放大器在光功率计中高精度的运算能力，我们将使用AD8304进行对数运算的光功率计与普通光功率计的运算精准度差异通过Matlab进行模拟仿真对比。由理论分析可知，对数放大器的输出电压VOUT具有16位精度，而普通光功率计输出的光电二极管电流IS具有16位精度，因而经过对数运算后精度会下降。以对数放大器运算后的光功率值为标准，计算普通光功率计计算值与其的相对误差，仿真结果如图3所示。

图3 普通光功率计计算值的相对误差图

观察结果发现，当输入光电二极管电流值IS很小时，普通光功率计测得值与对数放大器测得值的相对误差较大，测量值极不准确。这验证了AD8304对数放大器在计算光功率值时的准确性。

AD8304对数放大器的电路设计图如图4所示。

2.4 51单片机进行A/D转换与计算

2.4.1 51单片机硬件介绍

在现代工业生产中常常使用到单片机。单片机有集成性高、功能强大、可靠性高、功耗低、使用方法相对简单等优点。在本设计中，我们采用STC89C51单片机。STC89C51单片机是美国STC公司最新推出的一种新型51内核的单片机。片内含有Flash程序存储器、SRAM、UART、SPI、A/D、PWM等模块。该器件的基本功能与普通的51单片机完全兼容，同时它又是一款抗干扰、高速、低功耗的单片机。本设计中，由单片机处理经过对数放大后的电压，对其进行A/D转换和运算，其ADC功能具有16 位精度，得到的数值精确度高，能达到提高精度的要求。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。

图4 AD8304对数放大器的电路设计图

2.4.2 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、数据处理等组成，其软件流程如图5所示[6]。

图5 软件处理流程图

2.5 键盘

在本设计中，功能键设置为：开/关机键，用于启动/关闭功率计；波长选择设定键，用于调整输入波长及初始化；单位选择键，用于调节单位大小以输出精确数值；功率输出测量键，用于显示输出功率大小。选用中断扫描工作方式，当有按键按下时，传输至单片机扫描按键，单片机根据接收到的指令完成相应工作程序。

2.6 LCD显示

在本设计中，晶体显示模块选用了标准化的LCD1602。这种液晶模块用来显示字母、数字、符号等，能同时显示32个字符(16列×2行)，具有功耗小、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧等特点，可与单片机直接匹配。

3 测量对比结果

将通过以上设计思路设计的基于AD8304对数放大器的光功率计与普通光功率计进行对比，在测量过程中通过调整激光光源功率大小，来对比标准光功率值与普通光功率计测量值、自行设计的光功率计测量值的大小。输入光波长为650 nm标准激光源，测量数据如表1所示。

表1 光功率计测量值对比 dBm

4 结束语

本设计中采用PIN X-6光电二极管采集光信号，将光信号以电流形式输出，通过I/V电路将其转换为电压信号。由于输入与所要测的光功率值呈对数关系，再通过AD8304对数放大器对光电压信号进行对数转换与放大，通过单片机处理得到其对应的光功率值。通过AD8304对数放大器对光功率值的计算处理使得运算变得简单，硬件设计也十分简洁，测量精度高。本文给出了设计思路和对数放大、I/V变换等部分的具体电路，其思路与设计原则同样适用于此类设备的设计，具有较高的理论价值和参考价值。

[1]王子孟.PIN硅光电二极管的原理和应用[J].光学仪器，1984，6(4)：1-9.

[2]童诗白.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2007：37-51.

[3]雷越辰.基于AD8304对数放大器的开放型数字式光功率计[J].科技视界，2012(20)：47-48.

[4] Analogy Devices公司.AD8304使用手册[Z]. [出版者不详]：Analogy Devices公司，2002：7-8.

[5] 孟波，沈晓菲，李兵兵.对数比放大电路在精密光功率计中的应用[J].电光与控制，2008，15(10)：79.

[6] 周真.基于PIN光电二极管的光功率计[J].仪表技术与传感器，2013(6)：34-36.

Design of High Precision Optical Power Meter Based on the AD8304 Logarithmic Amplifier

YANG Hao，LIU Yiwen，ZHAO Lizheng，YAN Yimin

(School of Physical Electronics, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054, China)

In order to avoid the disadvantages of the traditional Optical Power Meter Method， such as the large measuring error and the narrow measuring range，this paper is deigned to explore the measurement accuracy of the Optical Power Meter and the optimization of the measuring range. In this design， photodiode PIN is used to convert light current into voltage values. And the employment of the logarithmic amplifier AD8304 can avert the sophisticated logarithm operation and the error by using the linear amplifier. The design thought of the Optical Power Meter is provided in this paper， which focuses on the special characteristics of the logarithmic amplifier AD8304 and the application of the Optical Power Meter. And the calculation accuracy of this design has been verified by software.

optical power meter; photodiode; AD8304 logarithmic amplifier

2014-12-10；修改日期: 2015-01-04

全国高校创新创业基金资助项目。

杨 浩(1993-)男，本科在读，专业方向：电子信息科学与技术专业。

TH741

B

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.04.067