光功率計課程設(shè)計

1、目 錄摘 要1第1章 概 述21.1 引 言2第2章 光功率計的基本原理42.1光功率計鍵位及功能42.2光功率探頭結(jié)構(gòu)52.3 A/D轉(zhuǎn)換器及89S52單片機(jī)在光功率計中應(yīng)用6第3章 設(shè)計結(jié)果83.1分析工作過程83.2改進(jìn)方法9第4章 心得體會10參 考 文 獻(xiàn)111光功率計測試儀改良設(shè)計摘 要: 光功率檢測是光的最基本測量技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于光通信設(shè)備、光電武器裝備的測試和光器件的生產(chǎn)中。所謂光功率計（PMoptical power meter），即用于測量絕對光功率或通過一段光纖的光功率相對損耗的儀器，由光電探測器、電子設(shè)備和顯示器構(gòu)成。其在光纖領(lǐng)域內(nèi)的重要性就像數(shù)字萬用表在電子工業(yè)中

2、一樣。本次課程設(shè)計即圍繞光纖通信中功率的測試工具光功率計作一定探究。關(guān)鍵詞: 光功率計；功率測量；PIN光電二極管第1章 概 述1.1 引 言目前光功率測量方法有兩種，一種是熱轉(zhuǎn)換型方式，利用黑體吸收光功率后溫度的升高來計算光功率的大小，這種光功率計的優(yōu)點(diǎn)是光譜響應(yīng)曲線平坦、準(zhǔn)確度高，缺點(diǎn)是成本高，響應(yīng)時間長，因此，一般被用來作為標(biāo)準(zhǔn)光功率計；另一種是半導(dǎo)體光電檢測方式，利用半導(dǎo)體PN結(jié)的光電效應(yīng)，目前，適合于光纖通信系統(tǒng)應(yīng)用的光檢測器有PIN光電二極管和雪崩光電二極管。ADP具有雪崩放大作用、響應(yīng)度高，但附加噪聲大、偏置電壓高、溫度穩(wěn)定性差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且價格高，因此光功率檢測的儀器一般采用PI

3、N光電二極管作為光電轉(zhuǎn)換器件，所以通用光功率計一般是采用PIN光電二極管作為光探測器件的。光功率計的基本工作原理是被測光投射到PIN光探測器上變?yōu)殡娏鳎俳?jīng)I/V變換電路和程控放大電路得到電壓信號。這個信號送到程控低通濾波器及響應(yīng)度補(bǔ)償放大電路，得到與功率值相對應(yīng)的直流電壓，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換得到表示功率大小的數(shù)字量，控制處理部分進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和判斷后，送至顯示器進(jìn)行功率顯示或給出超量程或欠量程指示并發(fā)出量程轉(zhuǎn)換命令進(jìn)行量程的自動控制。在實驗中，光功率計以測量不同情況下的光功率來確定相關(guān)值。例如在半導(dǎo)體激光器P-I特性測量中，利用光功率計和可變電流的激光器，從而進(jìn)行多次測量，畫出相關(guān)P-I曲線，從而可

4、找出半導(dǎo)體激光器的電流閾值。在測半導(dǎo)體激光器發(fā)散角和偏振特性時，可利用光功率計記錄旋轉(zhuǎn)臺處于不同角度時的功率輸出值取曲線的半高寬為激光器的發(fā)散角。也可利用激光器與可旋轉(zhuǎn)的偏振片測量計算出其偏振度。 圖1.1.1 半導(dǎo)體激光器的光譜 圖1.1.2 半導(dǎo)體激光器P-I曲線光功率計在光通信和光纖傳感等新技術(shù)領(lǐng)域中是必不可少的儀器。國內(nèi)所需的光功率計大多依靠進(jìn)口，國外光功率計價格普遍偏高，所需配件品種多，使用操作也比較復(fù)雜。本次討論的是我系使用的北京杏林睿光科技有限公司生的RL-PM02型三波長光功率計。圖1.1.3 光功率計原理框圖第2章 光功率計的基本原理2.1光功率計鍵位及功能圖2.1.1 PL

5、-PM02型光功率計實物圖各鍵的功能說明如下：（1）LED顯示屏LED顯示屏示所測得的光功率值，以dB、dBm、mW、uW、nW的形式顯示。在設(shè)定波長時會顯示設(shè)定值，即532nm、633nm、650nm。（2）鍵波長選擇鍵，按此鍵可以選擇不同的波長。可供選擇的波長有三種：532nm、633nm、650nm每選擇一種波長，LED顯示屏?xí)邢鄳?yīng)的顯示。（3）HOLD鍵按HOLD鍵一次，即可將當(dāng)前測量的光功率值存儲，作為當(dāng)前參考功率REF值。 （4）ON/OFF鍵按ON/OFF鍵，就可以啟動功率計，當(dāng)啟動超過10分鐘后，而沒有任何鍵盤被操作，即會關(guān)機(jī)；在開機(jī)狀態(tài)下，按下該鍵，即可關(guān)機(jī)。（5）mW鍵進(jìn)

6、行量程選擇（6）ZERO鍵對功率計進(jìn)行置零。（7）背光開關(guān)打開、關(guān)閉LED顯示器背光。（光纖接口在光功率計上方，通過光纖與要測端連接，圖中未標(biāo)出。2.2光功率探頭結(jié)構(gòu)圖2.2.1 光功率計探頭實物圖光探頭就是光敏感面面積較大（直徑為1.10mm）的半導(dǎo)體PIN光電二極管。光電二極管（PD）把光信號轉(zhuǎn)換為電信號的功能，是由半導(dǎo)體PN結(jié)的光電效應(yīng)實現(xiàn)的。 在PN結(jié)的界面上，由于電子和空穴的擴(kuò)散運(yùn)動，形成內(nèi)部電場。內(nèi)部電場使電子和空穴與擴(kuò)散運(yùn)動方向相反的漂移運(yùn)動，最終使能帶發(fā)生傾斜，在PN結(jié)界面附近形成耗盡層。當(dāng)入射光作用在PN結(jié)時，如果光子的能量大于或等于帶隙（hfEg），便發(fā)生受激吸收，即價帶的

7、電子吸收光子的能量躍遷到導(dǎo)帶形成光生電子空穴對。在耗盡層，由于內(nèi)部電場的作用，電子向N區(qū)運(yùn)動，空穴向P區(qū)運(yùn)動，形成漂移電流。在耗盡層兩側(cè)是沒有電場的中性區(qū)，由于熱運(yùn)動，部分光生電子和空穴通過擴(kuò)散運(yùn)動可能進(jìn)入耗盡層，然后在電場作用下，形成和漂移電流相同方向的擴(kuò)散電流。漂移電流分量和擴(kuò)散電流分量的總和即為光生電流。當(dāng)與P層和N層連接的電路開路時，便在兩端產(chǎn)生電動勢，這種效應(yīng)稱為光電效應(yīng)。當(dāng)連接的電路閉合時，N區(qū)過剩的電子通過外部電路流向P區(qū)。同樣，P區(qū)的空穴流向N區(qū)，便形成了光生電流。當(dāng)入射光變化時，光生電流隨之作線性變化，從而把光信號轉(zhuǎn)換成電信號。這種由PN結(jié)構(gòu)成，在入射光作用下，由于受激吸收過

8、程產(chǎn)生的電子空穴對的運(yùn)動，在閉合電路中形成了光生電流。圖2.2.2 PIN結(jié)示意圖PN管接收光輸入后，由于價帶中電子吸收了光子而躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生一個電子空穴對，若在耗盡區(qū)產(chǎn)生，那么在自建電場（PIN管一般采用零偏壓）的作用下，電子向N區(qū)漂移，空穴向P區(qū)漂移，產(chǎn)生了與輸入光功率成正比的電流信號。 由于PN結(jié)耗盡層只有幾微米，大部分入射光被中性區(qū)吸收，因而光電轉(zhuǎn)換效率低，響應(yīng)速度慢。為改善器件的特性，在PN結(jié)中間設(shè)置一層摻雜濃度很低的本征半導(dǎo)體，這種結(jié)構(gòu)便是常用的PIN光電二極管。加上I層的PN結(jié)二極管可以提高探測靈敏度和響應(yīng)速度，明顯增大了p+區(qū)的耗盡層的厚度，這有利于縮短載流子的擴(kuò)散過程。耗盡

9、層的加寬，也可以明顯減少結(jié)電容,從而使電路常數(shù)減小，同時耗盡加寬還有利于對長波區(qū)的吸收。被測光通過光纖接口投射到光探頭的光敏面上時，半導(dǎo)體中的價帶電子激發(fā)到導(dǎo)帶，偏置電路中便會出現(xiàn)光電流，通過負(fù)載電阻實現(xiàn)I/V變換，此電壓信號再經(jīng)濾波放大后，最后由數(shù)字式顯示器顯示。2.3 A/D轉(zhuǎn)換器及89S52單片機(jī)在光功率計中應(yīng)用將一定功率的光信號經(jīng)過光電二極管轉(zhuǎn)化為電流信號，再經(jīng)過濾波通過一個變阻器轉(zhuǎn)化為電壓信號，再經(jīng)過運(yùn)放變?yōu)榉蠑?shù)模轉(zhuǎn)化的電壓信號。其電路圖如下：圖2.3.1 數(shù)字光功率計的光電轉(zhuǎn)換電路圖其中ADC0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及微處理機(jī)兼容的控制邏輯的CMOS組件。它

10、是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，可以和單片機(jī)直接接口。本功率計是基于AT89S52單片機(jī)的光功率計設(shè)計，AT89S52 是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。使用Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。圖2.3.1 89S52單片機(jī)連接圖 片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、有效的解決方案。 AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM， 32 位I

11、/O 口線，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，3個16位定時器/計數(shù)器一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，AT89S52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止，其具有低功耗，速度快，程序擦寫方便等優(yōu)點(diǎn)，完全滿足本系統(tǒng)設(shè)計需要。單片機(jī)P0口作為ADC0804轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的輸入端，P3.0接ADC0809的EOC端檢測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是否結(jié)束。P0.0P0.3則作為4個數(shù)碼管的位選信號控制。P3口有

12、特殊的功能，P3.1用于控制ADC0804的啟動，P2用于控制讀取ADC0804的轉(zhuǎn)換結(jié)果。本次設(shè)計中使用八通道的IN0，將A,B,C（25 24 23）管腳直接接地固定選擇IN0， ALE與ST管腳連通，接單片機(jī)P3.4（14）腳，EOC接P3.3(13)腳，OE接P3.5，CLK時鐘為1MHZ，由單片機(jī)ALE二分頻得到，二分頻電路詳見后文講解。VREF+接VCC，VREF-接GND，引出八根數(shù)據(jù)腳接P1口，由此完成硬件連接。第3章 設(shè)計結(jié)果3.1分析工作過程 LED激光發(fā)光管發(fā)射穩(wěn)定激光->光電接收管->到電阻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行電流電壓轉(zhuǎn)換，并且進(jìn)行電壓放大->模數(shù)轉(zhuǎn)換->C

13、PU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理->顯示出數(shù)數(shù)據(jù)。利用光電轉(zhuǎn)換器件能夠?qū)⒐饽芰哭D(zhuǎn)換成電流或電壓等電參量，通過后續(xù)電路對電參量的大小進(jìn)行測量，采用標(biāo)準(zhǔn)光功率計對系統(tǒng)的測量進(jìn)行標(biāo)定，使得系統(tǒng)能夠完成對光功率的測量。圖3.1.1 光功率計原理框圖 由于PIN光電二極管產(chǎn)生的光電流很小，不能直接用于測量，需要通過適當(dāng)?shù)牡驮肼暦糯蠛?，再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。光電探測器件一般都要緊密連接一個低噪聲的前置放大器，用于對微弱信號的放大。這里先采用PNP三極管對光電二極管的輸出電流進(jìn)行電流放大和電壓電流轉(zhuǎn)換。再利用A/D轉(zhuǎn)換電路將一定功率的光信號經(jīng)過光電二極管轉(zhuǎn)化為電流信號，再經(jīng)過濾波通過一個變阻器轉(zhuǎn)化為電壓信號，再經(jīng)過運(yùn)放變?yōu)?/p>

14、符合數(shù)模轉(zhuǎn)化的電壓信號。單片機(jī)部分上節(jié)已經(jīng)介紹，這里不再贅述。3.2改進(jìn)方法根據(jù)實驗對光功率計的要求，可以采用以下幾種改進(jìn)方法：（1）更換具有更靈敏的PIN結(jié)構(gòu)的光探頭。（2）采用濾波放大電路抑制接收電路的噪聲，提高信噪比。（3）在具體實驗中,由于激光器供電電源不穩(wěn)定也會影響光功率計的探測，也可以從激光器的電源著手，更換穩(wěn)定的激光供電電源。（4）本次設(shè)計可以實現(xiàn)直流光功率的測試，在數(shù)碼管可以顯示05V的電壓值，可以精確到0.01，如果在設(shè)計一個交流光功率計，可以在I/V變換電路前加一個交直流轉(zhuǎn)換電路，從而實現(xiàn)交流光功率計的制作。第4章 心得體會 整個課程設(shè)計的過程原則上是設(shè)計，其實就是一次大的作業(yè)，是讓我對課本知識的鞏固和對基本公式的熟悉和應(yīng)用，使我做事的耐心和仔細(xì)程度得以提高，整個過程中既有對已有知識和技能的鞏固，又有對新知識的理解和掌握，同時也提高了我的動腦和動手能力，使我了解了課程設(shè)計的步驟，明白了如何收集相關(guān)資料。以下為我自己的幾點(diǎn)總結(jié)： （1）課程設(shè)計是一個重要的教學(xué)環(huán)節(jié)，通過課程設(shè)計使我了解到一些實際與理論之間的差異。（2）通過課程設(shè)計不僅可以鞏固專業(yè)知識，還可以培養(yǎng)和熟練使用資料，運(yùn)用工具書，查找相關(guān)資料的能力，為明年的論文的制作打下了基礎(chǔ)。（3）這次課程設(shè)計，端正了我的學(xué)習(xí)態(tài)度，使我更深刻的認(rèn)識到團(tuán)結(jié)協(xié)作和虛心求教的重要性，這是完成一份工作所必需的，