实时光栅衍射效率测量的光功率采集器设计

2016-04-14郑继红王青青王康妮陆飞跃李道萍

电子科技 2016年3期

关键词：单片机

高　正,郑继红,桂　坤,王青青,王康妮,高　辉,陆飞跃,李道萍

(上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海　200093)

实时光栅衍射效率测量的光功率采集器设计

高正,郑继红,桂坤,王青青,王康妮,高辉,陆飞跃,李道萍

(上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海200093)

摘要针对常用光功率计通道单一、测量过程复杂以及自动化程度较低等缺陷,设计了一种基于实时光栅衍射效率测量的双路光功率自动采集器。基于普通光功率计的理论和实际设计方法,提出设计方案。设计硬件方面包括前置放大电路、电源升压电路、A/D转换电路、单片机控制电路以及串口通信电路的设计。在软件方面完成了A/D转换控制程序以及数据传输、计算与存储程序的设计。设计采用633 nm作为测量的标准激光波长,测量功率范围在0.01~10 mW,设计完成后,光栅衍射效率测量精度保证在±4.5%。

关键词光功率计;单片机;衍射效率;A/D转换

Design of Real-time Optical Power Acquisition System Based onGrating Diffraction Efficiency Measurement

GAO Zheng,ZHENG Jihong,GUI Kun,WANG Qingqing,WANG Kangni,GAO Hui,LU Feiyue,LI Daoping

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

AbstractThis paper designs a real-time automatic dual path optical power meter based on grating diffraction efficiency measurement in view of the flaws of ordinary optical power meters such as signal channel,complex measurement process and low degree automation.The design scheme is proposed based of the theory of common power meter.The hardware of this design consists of the preamplifier circuit,power boost circuit,A/D converter circuit,SCM control circuit and serial communication circuit design.The programs of A/D conversion control and data transmission,calculation and storage are designed as well.The working band of the design is 633 nm,and the measuring range of the two-way optical power is from 0.01 to 10 mW.The accuracy of the design is kept at ±4.5%

Keywordsoptical power meter;microchip;diffraction efficiency;A/D conversion

在光纤通信以及相关光电技术的测量系统中,光功率是一项重要的参数,不仅需要精确测量光功率的数值,还需要利用测得的光功率值计算出光衍射效率等相关参数[1]。综合国内外近几年光功率计的发展趋势主要可归为两类:一类是具有极高的测量性能、价格偏高的台式光功率计,例如2007年Agilent推出的N7745A具有8通道,功率范围10-8~10 mW,最小采样时间可达1 μs,而且功率总体不确定度在±4.5%。另一类则是成本不高、测量精度要求相对较低的手持式光功率计[2]。虽然市面上光功率计在光学测量性能和精度上都能达到较高要求,但在一些光学实时测量系统,如全息光栅制作中,更需要带有数据处理功能的双通道甚至是多通道光功率探测器。

为此,本文针对在聚合物分散液晶电控全息动态光栅中,对实时光栅衍射效率测量显示的需求,设计了光电转换探测集成式双通道衍射效率探测仪器,在满足任务需求的同时,达到了测量范围和精度要求,具有良好的测量效果。

1系统整体设计

如图1所示为双路光功率采集器总体框图,光功率计的主要组成模块是由光电转换、模拟信号处理[3]、模数转换、数据处理以及数据输出组成。

图1　双路光功率采集器总体框图

光电转换器是将光辐射出的能量转换成一种便于测量的物理量的器件,设计采用两个性能相同的Astral系列激光功率计光电二极管探头的AP30光电转换器作为光电转换模块,对光栅的透射光和衍射光进行同步探测,实时采集存储两路不同功率的光信号。

2光功率计硬件设计

2.1放大电路设计

设计采用两级放大滤波电路对光电转换后的电压信号进行放大滤波,激光信号经过光电转换器转换后输出微弱的电压信号,考虑受到背景噪声、电路噪声、元器件噪声等影响,因此设计连接一个低噪声放大电路[4]对微弱电压信号进行放大,以满足后级电路的阻抗匹配[5-6]。

2.2DC-DC电源升压电路的设计

考虑到设计中采用USB供电,需要将+5 V直流电压转换成±12 V的直流电压。采用Maxim公司的Max743作为DC-DC电源升压电路的升压芯片。如图2所示,+5 V电压从Max743的V+端输入,经过升压分别输出+12 V和-12 V,实现了电源转换的功能。

图2　DC-DC电源升压电路

2.3单片机的选择与A/D转换电路设计

系统设计选用意法半导体(ST)公司STM32F103增强型系列单片机。该单片机内部集成了可用双通道A/D转换单路。因此经过放大电路放大后的信号,从单片机的模拟量输入端口输入,经过内部集成的A/D转换电路,就可实现数据从模拟量到数字量的转换[7-9]。

2.4数据处理与存储

在完成数据的A/D转换后,需要对转换后的数据进行处理和存储,由于光栅的透射光和衍射光要被同时探测,因此需要同时采集两个通道的数据并进行处理和存储,以方便设计后续的计算工作。系统中选择MAX232作为通信电路进行PC机与单片机通信设计电路[10]。

3光功率计软件设计

系统设计的软件部分主要包括A/D转换控制程序和数据处理与传输程序。首先经过I/V转换将微弱的光信号转换成微弱的电压信号,然后利用A/D转换程序将模拟电压信号转换为数字信号,并通过单片机将数字信号发送至PC机,处理得到最终的光功率数据[11]。

3.1A/D转换控制程序设计

设计以Keil作为程序设计软件,ADC连续采集2路模拟信号,并由DMA传输到内存。ADC配置为扫描并且连续转换模式,ADC的时钟配置12 MHz。每次转换结束后,由DMA循环将转换的数据传输到内存中。A/D转换的设计流程如图3所示[11]。

图3　A/D转换设计流程

3.2数据处理与传输程序设计

本文采用串口传输的方式对采集到的光功率信号进行接收和保存,在满足数据传输和处理标准的基础上,对串口的初始值进行配置和对光功率值进行采集和接收。串口初始化和配置程序如下

USART_InitStructure.USART_BaudRate=115200;//波特率设置

USART_InitStructure.USART_WordLength=USART_WordLength_8b;//字长为8位数据格式

USART_InitStructure.USART_StopBits=USART_StopBits_1;//一个停止位

USART_InitStructure.USART_Parity=USART_Parity_No;//无奇偶校验位

USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl=USART_HardwareFlowControl_None;//无流量控制

USART_InitStructure.USART_Mode=USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;//收发模式

USART_Init(USART1,&USART_InitStructure);//串口初始化

USART_ITConfig(USART1,USART_IT_RXNE,ENABLE);//开启中断

USART_Cmd(USART1,ENABLE);//使能串口

4实验结果与数据

经过硬件部分的设计和测试以及软件部分的编写和调试,设计的双路实时光功率采集器工作正常,可以用串口上位机界面实时同步得到经过A/D转换后的数值,设计完成的双路光功率采集器实物如图4所示,其工作界面和接收演示结果如图5所示。

图4　实物图

图5　工作界面和接收演示结果图

4.1定标

在功率计硬件和软件部分组装完成后,对功率计的性能进行测试,并进行定标和量程确定。首先用标准功率计分别对固定功率点的功率值进行测量和记录,然后分别在对应的功率点用自制的功率计测量一组电压数据并取平均值,通过将标准功率计测量的功率值和自制功率计测量的电压值进行函数拟合,找出了拟合度最高的相关函数。通过拟合,可得到标准功率计功率值和自制功率计功率值之间的关系。经过函数拟合,得到拟合函数

f(x)=257.8×x5-2 164×x4+7 256×x3+12 140×x2+10 120×x-3 366

将拟合出的函数式写入程序,再次用自制的功率计和标准功率计分别对同一点进行测试,统计出一组对应的功率测量值,通过两条功率值曲线可以看出,本文研制的功率计与标准功率计误差微小,均方根误差为0.039 3,如图7自制光功率计与标准光功率计功率对比图所示,两条曲线基本重合。

图6　拟合函数曲线

图7　自制光功率计和标准光功率计功率对比图

4.2系统测试与分析

为测试系统功能,在对双路功率计分别定标之后,对电控条件下光栅的透射光和衍射光进行测量[12],透射光和衍射光的变化曲线如图8(a)所示,随着电控电压的增加,透射光功率逐渐增强,衍射光功率逐渐减弱,符合全息光栅的电控特性。图8(b)为光栅衍射效率变化曲线,根据所测得的透射光和衍射光的光功率数据进行绘制,随着电控电压的增强,衍射效率越来越小,符合全息光栅的电控特性,满足实验需求。

图8　光功率测试曲线

5结束语

本文设计了一种双路同步采集的光功率计,系统硬件包括稳压电源模块、放大电路模块和通讯模块,采用C++对双路光功率计的软件部分进行了编写,包括A/D转换、采样保持以及DMA数据存储等程序,实现了对全息光栅的透射光和衍射光的光功率实时探测,并得到衍射效率。在保证采集速度、采集精度的前提下,扩展了现有光功率计的探测通道数,并实现了实时探测功能。因此,相对于目前大多数功能单一的数据采集系统,该设计具有通用性强、适用范围广的优点,具有较好的推广和实用价值。

参考文献

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