1、引言

針對(duì)目前市場(chǎng)上傳統(tǒng)的光功率計(jì)動(dòng)態(tài)范圍小、測(cè)試精度低、非線性誤差明顯、檔位切換速度慢等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款基于STM32的高精度光功率計(jì)，采用先進(jìn)的大動(dòng)態(tài)波長(zhǎng)響應(yīng)范圍的INGAAS－PIN光電探測(cè)器，配合使用ADI公司的光電前置放大器AD795，TI公司的24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1232和美信公司的高速多路模擬開關(guān)MAＸ4051進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，利用STM32控制放大量程增益自動(dòng)切換技術(shù)，消除光電探測(cè)器在同一波長(zhǎng)不同光強(qiáng)下對(duì)光的非線性響應(yīng)導(dǎo)致的測(cè)量誤差，可以大大提高光功率計(jì)測(cè)試的精度和可靠性。

2、系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示，INGAAS－PIN光電探測(cè)器將檢測(cè)到光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?a href="http://www.brongaenegriffin.com/tags/電流/" target="_blank">電流信號(hào)，進(jìn)行I／V（電流電壓）變換后輸出電壓信號(hào)，經(jīng)過放大和濾波處理后的電壓信號(hào)送入A／D進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，根據(jù)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)量的大小，利用微處理器判斷之后控制放大電路的量程自動(dòng)切換來獲得合適的可供計(jì)算的數(shù)字量，最后由STM32控制器來進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和分析，再送入液晶ＬＣD進(jìn)行功率顯示，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的按鍵控制，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和串口通信等操作。

圖1系統(tǒng)原理

3、光功率計(jì)硬件實(shí)現(xiàn)

3．1、INGAAS－PIN光電探測(cè)器

目前流行的光電探測(cè)器有PIN光電二極管和APD雪崩光電二極管，APD具有很高的檢測(cè)速度，在高速光電檢測(cè)應(yīng)用行業(yè)占據(jù)主要地位，但是其暗電流大，需要很高的偏置電壓，噪聲也比較大，不適合在精確測(cè)量時(shí)使用。在光功率設(shè)計(jì)中廣泛使用暗電流低、靈敏度高、可以工作在零偏狀態(tài)的PIN光電二極管。目前使用的PIN管主要由SI、Gｅ、INGAAS等材料制作的，覆蓋了從400～1800NM的波長(zhǎng)范圍。不同材料的PIN光電探測(cè)器響應(yīng)度R和波長(zhǎng)λ的關(guān)系如圖2所示。

圖2 PIN光電探測(cè)器響應(yīng)度R和波長(zhǎng)λ的關(guān)系

絕對(duì)響應(yīng)度是衡量光電探測(cè)器性能優(yōu)越的一個(gè)重要指標(biāo)，決定光電流與光功率之間的關(guān)系。響應(yīng)度公式定義為：一次光生電流IP和入射光功率P的比值。

R＝IP／P（1）

式中：R為光電二極管的響應(yīng)度。

設(shè)計(jì)中選用重慶某公司的光電探測(cè)器，其主要的性能指標(biāo)如表1所示。

表1INGAAS－PIN光電探測(cè)器主要性能參數(shù)

3．2、電流電壓變換

光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)，設(shè)計(jì)前端使用一個(gè)I／V變換電路采集電流信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)，一個(gè)電流－電壓轉(zhuǎn)換器（I／V轉(zhuǎn)換器）也稱為跨阻放大器［7］（TRANSRｅSISTANｃｅAMPｌIｆIｅR），它接受一個(gè)輸入電流I，并形成為V＝AI的輸出電壓，這里A是電路增益，以V／A計(jì)。參照?qǐng)D3，假設(shè)運(yùn)算放大器是理想的。在虛地節(jié)點(diǎn)將電流相加給出－IS＋（V－0）／R＝0，即：

V＝RIS（2）

R是電路增益，增益的幅度稱為該轉(zhuǎn)換器的靈敏度。

圖3 ?I／V轉(zhuǎn)換電路

圖3中光電二極管工作在零偏置電壓狀態(tài)，這種狀態(tài)稱為光電模式，其他可以工作在加反向偏置電壓的光電導(dǎo)模式，光電導(dǎo)模式能提供較高的速度，從而更適合高速光脈沖和高頻光速調(diào)制中的應(yīng)用。光電模式則可提供較低的噪聲，更低的暗電流，適合于測(cè)量和儀器儀表方面的應(yīng)用。

3．3、程控放大

考慮到采集的光功率信號(hào)范圍比較大（NW～MW），當(dāng)放大器增益固定時(shí)，會(huì)出現(xiàn)小信號(hào)無法得到有效放大而降低A／D的有效精度，同時(shí)由于光電探測(cè)器在同一波長(zhǎng)的不同光強(qiáng)下對(duì)光的響應(yīng)不是線性的，固定增益測(cè)量會(huì)出現(xiàn)非線性誤差。解決方法是對(duì)小信號(hào)輸入采用高倍放大，對(duì)大信號(hào)輸入采用低倍放大，根據(jù)采集到的信號(hào)大小，自動(dòng)改變?cè)鲆婧退p，切換到合適的量程，即在放大電路中使用量程自動(dòng)切換技術(shù)，在檢測(cè)范圍內(nèi)將光功率按照光強(qiáng)不同分為八段，每一段對(duì)應(yīng)一個(gè)量程，這種技術(shù)可以有效消除測(cè)量時(shí)的非線性誤差，在增加測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍的同時(shí)，提高了測(cè)量的精度。

在選擇多路模擬開關(guān)時(shí)，主要從通道數(shù)、切換速度和導(dǎo)通電阻幾個(gè)方面進(jìn)行考慮，考慮到舌簧繼電器的切換速度比較慢，選擇了半導(dǎo)體多路模擬開關(guān)，設(shè)計(jì)時(shí)選用美信公司的8路高速模擬開關(guān)MAＸ4051，但是其100Ω導(dǎo)通電阻比較大，會(huì)影響信號(hào)的處理，必須想辦法消除它的影響。設(shè)計(jì)中避免從放大器的輸出端采樣電壓，而是通過增加一個(gè)多路模擬開關(guān)，用它直接采樣反饋電阻輸出端電壓，并送給后級(jí)電路處理。如圖4所示。

在這個(gè)電路中R1和R2代表兩個(gè)多路模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻，它們大小相等，Rｆ是反饋電阻，ID是光電流。分析這個(gè)基本電路可知，如果不存在R1導(dǎo)通電阻，可以很容易得到V0的計(jì)算公式為：

V0＝（Rｆ＋R2）ID（3）

根據(jù)放大器輸入端的“虛斷”原理，放大器的反向輸入引腳沒有電流流過，而是全部加在反饋電阻Rｆ上，那么可以很容易計(jì)算出VN為：

VN＝RｆID（4）

由式（3）可知，V0的計(jì)算值中包含了多路模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻R2，是一個(gè)干擾因素，而VN點(diǎn)的電壓正是我們希望采樣的信號(hào)值，故在該節(jié)點(diǎn)連接另一個(gè)多路模擬開關(guān)采集信號(hào)，它仍然存在導(dǎo)通電阻R2，但此時(shí)V1的幅值和VN大小相等，即：

V1＝VN＝RｆID（5）

通過使用兩個(gè)MAＸ4051的電路設(shè)計(jì)，可以避免模擬開關(guān)導(dǎo)通電阻對(duì)功率測(cè)量的影響。

圖4 ?程控放大原理

低噪聲的前置放大器是用來放大探測(cè)器輸出的微弱電流信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)前后級(jí)電路的阻抗匹配。在最低光強(qiáng)時(shí)需要檢測(cè)到100PA左右的光電流，這大大降低了可以選用的放大器的范圍。意味著放大器必須具有很高的開環(huán)增益，同時(shí)偏置電流應(yīng)該保持在PA級(jí)別，還要具有很好的噪聲性能，同時(shí)具備以上幾點(diǎn)才能保證在最高靈敏度時(shí)可以檢測(cè)到微弱的光電流信號(hào)。設(shè)計(jì)時(shí)選用AD公司的AD795作為光電放大器，超低的噪聲，最大2PA的輸入偏置電流和120dB的開環(huán)增益使其可以滿足光電信號(hào)的放大要求。光功率計(jì)的程控放大電路如圖5所示。

圖5 ?程控放大電路

3．4、A／D轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

經(jīng)過放大和濾波之后的信號(hào)送給A／D采集，模擬量轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量，便于單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。由于入射光穩(wěn)定，因此對(duì)AD器件的轉(zhuǎn)換速度要求不高但對(duì)精度要求很高，且信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍很大。設(shè)計(jì)中為保證光功率計(jì)的精度和顯示分辨率，選用TI的24位高精度模擬轉(zhuǎn)換器ADS1232。ADS1232采用今年來流行的Σ－Δ積分轉(zhuǎn)換技術(shù)，具有分辨率高、線性度好、成本低等特點(diǎn)，得到了很廣泛的應(yīng)用。A／D接口電路如圖6所示。

圖6 A／D接口電路

4、系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

4．1、STM32主控制流程

微處理器上電后首先進(jìn)行初始化，分為系統(tǒng)初始化和顯示初始化。系統(tǒng)初始化包括時(shí)鐘初始化、中斷初始化、串口初始化、端口初始化等操作。顯示初始化為了設(shè)置背景色和顯示方式。選擇默認(rèn)檔位后開始模數(shù)轉(zhuǎn)換，等待轉(zhuǎn)換結(jié)束后讀取A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)并選擇顯示波長(zhǎng)后送入數(shù)據(jù)處理模塊，進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和修正，選擇顯示單位后，最后送入顯示器進(jìn)行功率值顯示。其流程圖如圖7所示。

圖7 STM32主控流程

4．2、自動(dòng)量程控制流程

具體流程圖如圖8所示。

圖8 ?自動(dòng)量程控制流程

5、數(shù)據(jù)處理和校正

STM32微控制器的數(shù)據(jù)處理是實(shí)現(xiàn)光功率測(cè)量的核心部分，這里需要對(duì)從模數(shù)轉(zhuǎn)換器讀取的數(shù)字量進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和修正。首先，為了減少暗電流對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響需要進(jìn)行清除暗電流的處理。然后，選擇是否進(jìn)行數(shù)字平均值濾波，以便進(jìn)一步提高測(cè)量數(shù)據(jù)的精度。接下來，讀取被測(cè)光的波長(zhǎng)用以計(jì)算光功率值（單位是dBM），光功率計(jì)算方法由以下計(jì)算公式給出：

P＝10ｌG（ADVAｌｕｅ）（6）

式中：P是計(jì)算得到的初始光功率值，單位是dBM；ADVAｌｕｅ是讀取的模數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)值。

計(jì)算得到光功率值是一個(gè)初始值，需要進(jìn)行相關(guān)修正和校準(zhǔn)才能保證其準(zhǔn)確度。光功率值修正的處理方法由下式給出：

PdBM＝10ｌG（ADVAｌｕｅ）＋Ｃ＋K1＋K2＋K3（7）

式中：Ｃ稱為估算校準(zhǔn)值，可根據(jù)初始光功率值估算得到；K1稱為小誤差校準(zhǔn)值，是在估算校準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步減少測(cè)試誤差而進(jìn)行的校準(zhǔn)，一般通過和標(biāo)準(zhǔn)光功率計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)得到，其校準(zhǔn)原理圖如圖9所示。

圖9 ?校準(zhǔn)原理

K2稱為增益校準(zhǔn)值，由于放大增益不固定而設(shè)置，相鄰的量程增益相差10倍，則增益校準(zhǔn)值相差10dBM；

K3稱為波長(zhǎng)校準(zhǔn)值，由于光電探測(cè)器對(duì)不同波長(zhǎng)的光的響應(yīng)度不同，由此引起的誤差需要進(jìn)行波長(zhǎng)校準(zhǔn)，主要涉及1310NM和1550NM波長(zhǎng)。

光功率經(jīng)過校準(zhǔn)后得到了精確的光功率值，需要判斷是否超出設(shè)計(jì)指標(biāo)的－70～＋6dBM的測(cè)量量程。為了方便按鍵處理時(shí)進(jìn)行單位的切換，必須根據(jù)精確的光功率值計(jì)算出以MW為單位的光功率值，計(jì)算公式如下：

PdBM＝10ｌGPMW/1MW（8）

式中：PMW是以MW為單位的光功率值。

經(jīng)過上面的數(shù)據(jù)處理和修正后，可以進(jìn)一步提高光功率計(jì)的測(cè)量精度，并減少測(cè)量誤差。

為了驗(yàn)證搭建的樣機(jī)是否可以準(zhǔn)確的測(cè)量光功率值大小，需要對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確度測(cè)試，測(cè)試的方法根據(jù)圖9的校準(zhǔn)原理圖進(jìn)行，測(cè)試波長(zhǎng)為1310NM，在相應(yīng)波長(zhǎng)下利用可調(diào)光源發(fā)出的13組不同強(qiáng)度的光同時(shí)入射進(jìn)待測(cè)樣機(jī)和標(biāo)準(zhǔn)光功率計(jì)，記錄兩者測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，得出該波長(zhǎng)下的數(shù)據(jù)擬合圖，如圖10所示。

圖10 ?測(cè)試數(shù)據(jù)擬合度曲線

6、結(jié)論

設(shè)計(jì)了一款基于STM32的高精度光功率計(jì)，具有精度高，顯示分辨率高，動(dòng)態(tài)范圍寬等特點(diǎn)，采用自動(dòng)量程切換技術(shù)，在INGAAS－PIN光電探測(cè)器的整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)進(jìn)行了8段線性化的處理，極大地提高了功率檢測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性。