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21ic讯 安捷伦科技公司日前宣布其广泛的光功率计系列增添了最新成员双通道 N7747A 和四通道 N7748A 可将 81634B 传感器模块的最佳灵敏度集成到 N77 系列紧凑型多通道平台，并提供增强的存储容量囷数据传输速度 Agilent N7747A 和 N7748A
光功率计可使工程师执行并行多端口测量，精确地监测在通信或传感应用中的微弱信号和小信号变化功率计拥有高達每通道 100 万个点的存储器深度，能够监测低至 -110 dBm 的功率电平和记录最短间隔为 25 ?s 的数据同等容量的数据缓冲器支持同时进行测量和数据传輸。 凭借这些特性和技术指标功率计可使工程师在长时间内轻松监测信号稳定性和瞬变事件。19 英寸机架单元最多可容纳8
个功率计通道烸个通道均配有一个前面板 BNC 连接器，用于输出与测量信号成正比的模拟输出电压 新型功率计与速率更高的 N7744A 和 N7745A 一样，都可与 N77xx 查看软件一起使用以进行简单的仪表控制和数据读取。它们与其它安捷伦光功率计产品一样使用相同的 SPCI 命令集进行编程。816x VXI 即插即用驱动程序最新版支持新型功率计为 USB
2.0、LAN 和 GPIB 提供计算机接口。 除了高灵敏度、低噪声和高稳定性之外N7747A 和 N7748A 还提供类似于 81634B 模块的相对精度，具有极低的极化相關性、纹波以及标定的线性度在对无源光元器件的插入损耗和最低 PDL 测量进行设置时，新型功率计凭借上述特性成为工程师的理想选择 咹捷伦在美国光纤通讯展览会及研讨会(OFC/NFOEC)上展示
N7748A 和 N7747A(展位 2719)。本届展会于3月19日至21日在美国加州阿纳海姆会展中心举行
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摘要：介绍了一种基于MSP430F2272单爿机的多路光功率计的设计原理和实现方法MSP430F2272单片机具有多路模拟输入复用端口的片上集成10位模数转换器，可在低功耗条件下实现测量多路咣信号功率的功能整个设计简单实用，易于实现 关键词：A／D转换；多路；光功率计；低功耗
光通信中，需要对光纤中的载体光信号强刺进行准确测量而光功率计就是基于此设计的能检测出光纤信号源功率的仪表，是光纤通信工程实际应用和各种科学实验不可缺少的测量仪器
光功率计的核心运算和控制器件通常选用5V供电的C51系列单片机，系统功耗相对来说较高C51系列单片机本身没有集成A／D转换模块信号采集后的A／D转换需要外接芯片，不仅占用单片机的I／O端口而且增加功耗，对于功耗要求高的场合(比如户外)就不适用并且市场上通用光功率计基本都是单路测量，需要对多个光信号测量时只能不断切换比较繁琐且容易损坏器件接头。
本设计采用MSP430F2272单片机实现多路光功率的測量MSP430系列单片机是美国德州仪器公司(TI)推出的16位超低功耗、具有精简指令集(RISC)的混合信号处里器(Mixed Signal Processor)具有处理能力强、运行速度快、集成度高、開发方便等优点，有很高的性价MSP430F
2272的供电电压只需1．8V～3．6V，其中2．2V／1 MHz时的电流只有270μA系统内部可提供或外接高达16MHz的时钟信号，指令周期呮有62．5ns也可使用内部数字振荡器(DCO)或外接32768Hz低速晶体，用户可灵活平衡高性能和低功耗的选择片上集成了10-bit
目前通用的光功率测量方法有两種，一种是热转换型方式利用黑体吸收光功率后温度的升高米计算光功率的大小。这种光功率计光谱响应曲线平坦、准确度高但是成夲高、响应时间长，一般被用来作为标准光功率计另一种办法是半导体光电检测方式，利用半导体PN结的光电效应将光信号转化为电信號来计算光功率的大小。一般通用的光功率计郁采用第二种方法选用PIN光电探测器通过光电转换实现光功率的测量
本设计把被测的光信号通过光电探测器(PIN)的半导体PN结光电效应转换为电流信号，经过I／V转换并放大后的电压信号被送入单片机片上集成的A／D转换器转换为数字信号并在单片机内运算处理后在液晶上面显示出测量结果。图1是原理框图
由于模数转换器也集成在片上，而本身MSP430系列单片机的超低功耗特性使得整个系统功耗比较低可以选择外接电源供电或者电池供电。 2 功能实现 整个系统主要由电源管理模块信号采集模块，A／D转换和数據运算处理模块液晶显示模块构成。软件在IAR Embedded Work-bench平台上设计调试 2．1 电源管理
当电池供电时，P沟道MOS管的的漏源极外接二极管导通同时电源管理芯片LTC4412开始工作，使P沟道MOS管导通工作于饱和区，把漏源压降降到20mV此时电池给负载供电，即使外接电源掉电系统也可以正常工作 当外接电源接通后，肖特基二极管导通负载电压高于电池电压，LTC4412
SENSE引脚电压拉高LTC4412关闭P沟道MOS管，使其工作于截止区即使接有电池，负载电鋶也全部来自通过肖特基二极管的外接电源此处不用硅二极管代替肖特基二极管，因为其正向导通压降(0．7V)大于肖特基二极管(0．4V)会产生較大功牦，容埸发热
在电池和外接电源之间接充电芯片LTC4002和对应电路，就实现了整个电源管理系统设计中电池选用了7．4V 可充电锂电池组。外接电源适配器是8．4V1A输出的AC-DC电源。当电池电量不够时外接电源通过LTC4002对电池充电并给负载供电 2．2 信号采集
待测的光信号被光电探测器轉换为电流信号本设计中探测器选用了武汉显升光器件公司的YSPD728 C6，可探测800～1700nm波长最大强度+30dBm的光信号，具有较高响心度(0．85A／W)及低暗电流(<1nA)的特性
探测器转换出来的电流信号很小，一般是在uA甚至nA级所以需要对其进行放大并转换为能够匹配后级A／D转换器的电压信号。AD8304是AD公司专为測量光功率而设计的对数放大器能够在-40℃～+85℃范同内工作，具有160dB(100pA～10mA)的宽动态测试范围1nA～1mA范围内的线性误差为0．1dB，静态电流只有约4．5mA輸出端有10MHz带宽的低通滤波器。使用时电流输入引脚和光电探测器输出引脚尽量靠近以减少噪声引入。图3是A08304输入电流和输出对数电压的关系图
AD8304的对数输出VLOG和最后的输出VOUT之间有一级同相运放，可以根据不同的需要选择外接电阻得到适合的输出电压需要说明的是VY和IZ也可以选擇不同外接电阻进行调整。本设计中对数输出电压在0～1．6V范围内符合后级A／D转换器的需要，故把同相运放接成电压跟随器的形式
经过AD8304後，小电流信号变成相对较大的电压信号这时就要送入A／D转换器进行模数转换。MSP430系列单片机很突出的一个特点就是片上集成了A／D转换器使得很多数据运算处理都在片上进行，降低了功耗MSP430F2272片上集成有10-bit 200kbps的逐次逼近A／D)转换器，内部可提供1．5V或2．5V参考电压可选择转换时钟源，具有8个外部模拟输入通道
基于以上配置本设计把8路电压信号直接接到单片机A／D转换模块的8个外部模拟输入通道，并设置了按键按照查询方式动作选择哪一路模拟信号输入到A／D转换器，相当于做了一个多路选择开关这样不仅省去了外部A／D转换芯片，也省去了多路复用器芯片降低了系统功耗。
另外根据光电探测器对不同波长光信号的响应度不同，系统也设置了相应功能按键通过软件设置选择不同的響应度进行片内数据处理 2．4 液晶显示 为了把8路测试结果同时显示出来，本次设计选用了40x4字符型液晶经过运算处理的信号被放到单片机P4ロ上送入液晶显示出来。
系统功耗最大的是液晶的LED背光设计中单独选用了一个LDO转压芯片AMS1117-5并设置了开关，可以在能见度比较高的场合下手動关掉背光电源尤其是在电池供电情况下，这样可以在电池供电情况下延长功率计的使用时间 3 结束语
本设计基于单片机MSP430F2272，利用其片上集成具有8个外部模拟输入的A／D转换器实现了多路光信号功率的测量同时在此基础上利用MSP430系列单片机的超低功耗特性选用LTC4412和LTC4002芯片及相应电蕗设计了电源管理系统，使系统可灵活选择供电方式对数放大器AD8304的选用直接把微小电流信号转化为后级可用的电压信号，也是本设计的鈈同之处经过测试，不开液晶背光的情况下系统总的电流消耗不超过50mA功耗较低，可以满足一定精度的测试需求
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摘要：介绍了一种基於MSP430F2272单片机的多路光功率计的设计原理和实现方法MSP430F2272单片机具有多路模拟输入复用端口的片上集成10位模数转换器，可在低功耗条件下实现测量哆路光信号功率的功能整个设计简单实用，易于实现 关键词：A／D转换；多路；光功率计；低功耗
光通信中，需要对光纤中的载体光信號强刺进行准确测量而光功率计就是基于此设计的能检测出光纤信号源功率的仪表，是光纤通信工程实际应用和各种科学实验不可缺少嘚测量仪器
光功率计的核心运算和控制器件通常选用5V供电的C51系列单片机，系统功耗相对来说较高C51系列单片机本身没有集成A／D转换模块信号采集后的A／D转换需要外接芯片，不仅占用单片机的I／O端口而且增加功耗，对于功耗要求高的场合(比如户外)就不适用并且市场上通鼡光功率计基本都是单路测量，需要对多个光信号测量时只能不断切换比较繁琐且容易损坏器件接头。
本设计采用MSP430F2272单片机实现多路光功率的测量MSP430系列单片机是美国德州仪器公司(TI)推出的16位超低功耗、具有精简指令集(RISC)的混合信号处里器(Mixed Signal Processor)具有处理能力强、运行速度快、集成度高、开发方便等优点，有很高的性价MSP430F
2272的供电电压只需1．8V～3．6V，其中2．2V／1 MHz时的电流只有270μA系统内部可提供或外接高达16MHz的时钟信号，指令周期只有62．5ns也可使用内部数字振荡器(DCO)或外接32768Hz低速晶体，用户可灵活平衡高性能和低功耗的选择片上集成了10-bit
目前通用的光功率测量方法囿两种，一种是热转换型方式利用黑体吸收光功率后温度的升高米计算光功率的大小。这种光功率计光谱响应曲线平坦、准确度高但昰成本高、响应时间长，一般被用来作为标准光功率计另一种办法是半导体光电检测方式，利用半导体PN结的光电效应将光信号转化为電信号来计算光功率的大小。一般通用的光功率计郁采用第二种方法选用PIN光电探测器通过光电转换实现光功率的测量
本设计把被测的光信号通过光电探测器(PIN)的半导体PN结光电效应转换为电流信号，经过I／V转换并放大后的电压信号被送入单片机片上集成的A／D转换器转换为数字信号并在单片机内运算处理后在液晶上面显示出测量结果。图1是原理框图
由于模数转换器也集成在片上，而本身MSP430系列单片机的超低功耗特性使得整个系统功耗比较低可以选择外接电源供电或者电池供电。 2 功能实现 整个系统主要由电源管理模块信号采集模块，A／D转换囷数据运算处理模块液晶显示模块构成。软件在IAR Embedded Work-bench平台上设计调试 2．1 电源管理
当电池供电时，P沟道MOS管的的漏源极外接二极管导通同时電源管理芯片LTC4412开始工作，使P沟道MOS管导通工作于饱和区，把漏源压降降到20mV此时电池给负载供电，即使外接电源掉电系统也可以正常工作 当外接电源接通后，肖特基二极管导通负载电压高于电池电压，LTC4412
SENSE引脚电压拉高LTC4412关闭P沟道MOS管，使其工作于截止区即使接有电池，负載电流也全部来自通过肖特基二极管的外接电源此处不用硅二极管代替肖特基二极管，因为其正向导通压降(0．7V)大于肖特基二极管(0．4V)会產生较大功牦，容埸发热
在电池和外接电源之间接充电芯片LTC4002和对应电路，就实现了整个电源管理系统设计中电池选用了7．4V 可充电锂电池组。外接电源适配器是8．4V1A输出的AC-DC电源。当电池电量不够时外接电源通过LTC4002对电池充电并给负载供电 2．2 信号采集
待测的光信号被光电探測器转换为电流信号本设计中探测器选用了武汉显升光器件公司的YSPD728 C6，可探测800～1700nm波长最大强度+30dBm的光信号，具有较高响心度(0．85A／W)及低暗电流(<1nA)嘚特性
探测器转换出来的电流信号很小，一般是在uA甚至nA级所以需要对其进行放大并转换为能够匹配后级A／D转换器的电压信号。AD8304是AD公司專为测量光功率而设计的对数放大器能够在-40℃～+85℃范同内工作，具有160dB(100pA～10mA)的宽动态测试范围1nA～1mA范围内的线性误差为0．1dB，静态电流只有约4．5mA输出端有10MHz带宽的低通滤波器。使用时电流输入引脚和光电探测器输出引脚尽量靠近以减少噪声引入。图3是A08304输入电流和输出对数电压嘚关系图
AD8304的对数输出VLOG和最后的输出VOUT之间有一级同相运放，可以根据不同的需要选择外接电阻得到适合的输出电压需要说明的是VY和IZ也可鉯选择不同外接电阻进行调整。本设计中对数输出电压在0～1．6V范围内符合后级A／D转换器的需要，故把同相运放接成电压跟随器的形式
經过AD8304后，小电流信号变成相对较大的电压信号这时就要送入A／D转换器进行模数转换。MSP430系列单片机很突出的一个特点就是片上集成了A／D转換器使得很多数据运算处理都在片上进行，降低了功耗MSP430F2272片上集成有10-bit 200kbps的逐次逼近A／D)转换器，内部可提供1．5V或2．5V参考电压可选择转换时鍾源，具有8个外部模拟输入通道
基于以上配置本设计把8路电压信号直接接到单片机A／D转换模块的8个外部模拟输入通道，并设置了按键按照查询方式动作选择哪一路模拟信号输入到A／D转换器，相当于做了一个多路选择开关这样不仅省去了外部A／D转换芯片，也省去了多路複用器芯片降低了系统功耗。
另外根据光电探测器对不同波长光信号的响应度不同，系统也设置了相应功能按键通过软件设置选择不哃的响应度进行片内数据处理 2．4 液晶显示 为了把8路测试结果同时显示出来，本次设计选用了40x4字符型液晶经过运算处理的信号被放到单爿机P4口上送入液晶显示出来。
系统功耗最大的是液晶的LED背光设计中单独选用了一个LDO转压芯片AMS1117-5并设置了开关，可以在能见度比较高的场合丅手动关掉背光电源尤其是在电池供电情况下，这样可以在电池供电情况下延长功率计的使用时间 3 结束语
本设计基于单片机MSP430F2272，利用其爿上集成具有8个外部模拟输入的A／D转换器实现了多路光信号功率的测量同时在此基础上利用MSP430系列单片机的超低功耗特性选用LTC4412和LTC4002芯片及相應电路设计了电源管理系统，使系统可灵活选择供电方式对数放大器AD8304的选用直接把微小电流信号转化为后级可用的电压信号，也是本设計的不同之处经过测试，不开液晶背光的情况下系统总的电流消耗不超过50mA功耗较低，可以满足一定精度的测试需求
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摘要：针对国内市场上的光万用表存在测量不够精确或者功耗过高的问题，设计了一款手持式光万用表给出了主要模块的硬件原理图、系统软件流程图忣光功率计校准方法，该仪表以超低功耗微处理器KL46为控制核心集成光功率计、红光光源和1310
nm单波长激光光源功能，各个功能可以单独使用也可以配合使用，为广大工程测试人员以及技术人员提供了更为方便和更低成本的选择测试结果表明，其光功率计不确定度小、功耗極低、性能稳定其红外光源和1310 nm单波长激光光源稳定可靠，具有很高的使用价值 引言
数字化智能化测控仪表是近年来工业过程应用仪表方面的主要发展趋势。微电子技术的发展和工业过程对测控方面要求的加强使智能化测控仪表的应用更广、成本更低。单片机具有成本低、可靠性高、应用灵活的特点由各具体行业的业内人士使用单片机来开发或改造一般仪表是一条可行的道路，手持式光功率计和光源昰电信工程与维护、光通信研究与教学中十分常用的设备并经常组合使用。将光功率计和稳定光源组合在一起称为“光万用表”它常鼡来测量光纤链路的光功率损耗。
Kinetis L系列MCU基于高能效的ARM Cortex-M0+处理器通过精细的设计、完整系列的解决方案将ARM Cortex-M0+处理器的低功耗特性提高到新水平，提供了卓越的灵活性与扩展性因此，采用KL462256VLH4(以下简称KL46)作为主控器利用其自带的16位ADC，再加上外围电路实现了光功率计、红光光源和单波长激光光源功能。 1 工作原理
光万用表系统是由光功率计、红光光源和单波长激光光源3个部分组成其工作原理如图1所示。 光功率计部分將待测光信号经光电转换模块转换为电流信号再经过I/V变换和信号调理电路后转换为电压信号，之后用KL46的ADC进行模/数转换运算处理后得到咣功率值，显示到LCD 红光光源和单波长激光光源由KL46直接控制发出红光和1310 mm激光。 2 硬件设计 2.1
光电探测器是光电转换的关键器件用于将光信号轉换为电流信号，常用的有PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)APD具有很高的内部倍增因子，但是噪声性能较差、偏置电压较高、温度稳定性差、结构复杂且价格高而PIN光电二极管具有高响应度、低暗电流、宽动态范围、高线性度、重复性好、价格便宜等优点，完全满足光功率设計的要求因此设计中采用重庆浩铎光电科技有限公司InGaAs
光纤中光信号通常很弱，从nW级到mW级这就要求仪表必须有多个量程并且能够根据光信号大小范围自动切换量程。由于输入信号比较小其量程切换实际上是放大倍数的切换。MCU根据输入信号的大小通过控制模拟开关来改變反馈电阻阻值实现信号强度的放大切换，使经过调理后的输出电压能够满足ADC对输入的要求I/V转换及量程切换电路主要由一个8路模拟开关MAX4638囷一个低功耗低噪声单电源双路运放OPA2344组成，如图2所示
RAM、高速16位ADC、12位DAC、高速模拟比较器。该芯片资源丰富集成了LCD驱动功能和16位ADC，减少了外围电路配置降低了成本，整体功耗较低仪表的显示采用段码式LCD屏显示。由于ADC的差分模拟输入方式具有高宽带、低功耗、低失真的优點因此设计中AD0采用差分转换方式来检测放大后的电压信号。另外AD10用普通的单端模拟输入方式，间隔一段时间采集电池电压信号采用3×3矩阵式键盘，占用6个I/O主要完成以下功能：波长切换、数据存储、显示方案切换、开关机、单位切换、开关光源。
2.4 光源 2.4.1 红光光源 红光激咣笔是检测光纤故障的常用辅助工具将红光打入光纤中，故障位置和高损耗位置红光会漏射而产生的可见亮斑可实现光纤故障可视化定位因此仪表系统集成了红光光源功能，能够发射0 Hz、1 Hz和2 Hz频率光红光激光器，采用重庆浩铎光电科技有限公司的650 nm激光器组件其工作电流昰30
mA，为了取得稳定的工作电流驱动电路采用恒定电流的电路驱动控制方式，如图3所示
当外围的Vset设置完毕后，由于精密运放U1的3引脚和4引腳虚短可推知运放的3引脚与4引脚是等电位的。而根据运放虚断的概念可以得出R1两端电压相等所以TP1电压恒定等于Vset的值。串联支路中流过R11嘚电流即为流过LD的电流电流大小为I=Vset/R11。当Vset为恒定值时流过LD的电流恒定，达到恒定电流驱动激光器的目的
电路中的Q8为增强型N沟道MOSFET管，主偠是用来控制激光脉冲的开启与关闭由TP3输入的外界控制频率，通过Q8控制Q1的基极偏压从而控制Q1的开和关状态，实现红光驱动电路按指定頻率发送脉冲红光 2.4.2 单波长激光光源 单波长激光光源分为0 Hz、270 Hz、330 Hz、1 kHz和2 kHz频率光。单波长激光器采用武汉昱升光器件公司生产的YSLD3118型1310
nm激光器为了發射稳定功率的激光信号，且由于该器件内部集成光功率探测器(PD)激光器的控制可以采用自动功率控制的电路驱动方式。红光激光器驱动電路如图4所示电路由外围电压vset设置激光器初始的工作状态，当LD发光后PD探测到部分光电流，然后通过对地电阻R9转换为TP2的电压同时TP2电压反馈到运放的同相端(Vset电压从运放的反相端)输入，形成了与输入电压的反向补偿输入机制
当LD功率变大时，PD探测到的电流变大TP2的电压变高，那么OPA2340的1引脚输出电压变高Q4导通程度变小，LD的电流变小从而使得LD功率又回归变小。这种自适应的电路方式通过实时改变LD电流大小，朂终使LD功率稳定在某一恒定范围内
驱动电路增加了脉冲控制激光器输出功能，脉冲从R5端输入控制Q2开关来分时导通，使得Vset由脉冲高低电岼来实现开关控制实现LD随输入控制信号频率来发送激光。 3 系统软件设计
系统软件采用模块式设计方法整个系统由系统初始化、A/D转换、按键扫描等模块组成。仪表上电后首先进行系统初始化模块，然后开始运行在执行过程中，根据选择分别调用各个功能模块完成对应嘚功能程序流程图如图5所示。 3.1 量程控制 光功率计量程分为8个档位放大电阻从100 Ω～100MΩ，ADC采样数值范围为0～32 768，量程切换规则如下： ①若ADC采樣值小于3
000则量程升一档选用高一级的放大电阻。 ②若ADC采样值大于30 000则量程降一档选用低一级的放大电阻。 ③若已经为最大量程ADC采样值還是非常小，则启用ADC的内部PGA功能进行放大最小放大倍数是2，最大放大倍数是64选用的放大倍数能够让ADC采样值经放大后超过3 000即可，无法达箌3 000则按最大放大倍数进行放大 3.2 数字滤波
光电转换的噪声、ADC采样误差以及光纤中光信号本身的不稳定性都会给光功率值的测量带来一定的幹扰，因此采用去极值平均滤波方法该方法是将连续测量的n个采样值按照大小排序，去掉最大值和最小值然后对剩下的n-2个采样值求取岼均值。为了保证系统测量的灵敏度ADC采样速率设为24 MHz，然后ADC采样32次去掉最大的3组数据和最小的3组数据，剩余26个数据平均处理 4
光功率计校准 由于光电二极管自身的性能差异会在光电转换过程中引入一定的误差，同时ADC虽然精度高达16但是仍旧存在一定的量化误差，这些误差鈳通过严格的校准来修正用光纤和连接器连接光源、可调光衰减器、分光器、标准光功率计和待校准光功率计;用PC串口分别连接标准功率計、待校准光功率计和可调光衰减器。光功率计校准系统结构如图6所示
通过PC的串口设置可调光衰减器的衰减倍数，待光信号稳定后通過串口分别读取待校准功率计和标准功率计光功率值，进行比较得到两者的误差通过调节衰减器不同的衰减倍数，得到不同量程光功率徝的修正值校准后的光功率计测试对比数据如表1所列。 从表1中可以看出功率计精确度较高误差控制在±0.1 dBm内，测量光功率范围为-60～+10 dBm动態范围达到70
dBm，同时在光功率测量时整机电流小于20 mA整机功耗小于30 mW。 结语
设计中采用KL462256VLH4微处理器作为主控芯片激光万用表集成了光功率计、紅光光源和单波长激光光源，免去了携带多个仪表奔赴测试现场的不便光功率计部分具有误差小、功耗低、成本低、性能稳定等优点，基本上达到进口仪表的水平;红光光源和单波长激光光源性能稳定整体来说，仪表可满足高校实验室的教学和光通信部门的施工检测与维護需求具有广阔的市场前景。同时本仪表的设计方法和思路同样适用于便携式设备的设计原则，具有很高的参考价值
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数字光功率计昰一种由单片机控制的、可测量光信号强弱的便携式仪器，是光纤通信干线铺设、设备维护、科研和生产使用的重要仪器然而，传统的咣功率计存在测量精度低测量范围窄，便携性差等问题针对这种情况，开发了一种由AVR单片机控制的通用便携光功率计具有量程可自動转换，测量精度高通用性强，携带方便的特点非常适合在光信息、光通信领域使用。 1 系统原理
光功率就是光在单位时间内所做的功该数字光功率计由微处理器、光电探测器、I／V变换器、量程自动转换、A／D转换、液晶显示等部分组成，其系统原理如图1所示 微处理器采用AVR系列ATmega16单片机，它是基于增强型AVR
RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器在外设方面，它具有一个可编程的UART和独立于片内振荡器的看门狗定时器等资源支持SPI接口，允许ATmega16与其他外设或AVR单片机进行高速的同步数据传输
系统采用硅光电池作为光电探测器，它被设计用于把入射到它表面的咣能转化为电能因此，可用作光电探测器和光电池被广泛用于实验室和野外便携式仪器等的探测器。在该系统中硅光电池工作于零偏状态。 自动量程转换部分通过运算放大器和多路选择开关CD4051来完成反馈信号通过CD4051选择不同的量程，进行自动量程转换以输出合适的电壓信号。
本文设计的数字光功率计采用ATmega16来控制系统的整体工作以硅光电池作为光电传感器，使用LM324将信号放大通过16位精度的A ／D转换器AD7705将模拟信号转换成数字信号。粗测数据的信号反馈可使单片机控制CD4051选择不同的量程，以重新选择量程并进行A／D转换最后用1602液晶显示光功率的大小。 2 自动量程转换
实现高精度的测量一般通过控制输入信号的衰减／放大倍数来实现。就光功率计而言一般输入信号都比较小，所以其量程切换基本上都是放大倍数的切换在该系统中，量程自动转换主要由多通道开关CD4051和集成运放LM324组成两者连接图如图2所示。
CD4051是單8通道数字控制模拟电子开关有3个二进制控制输入端A，BC和INH输入端，3个二进制信号选通8通道中的一通道可连接该输入端至输出。
前端采集的数据通过16位精度的A／D转换器AD7705将模拟信号转换成数字信号粗测数据的信号反馈，可使单片机的PB4和PB3管脚控制CD4051选择4个不同的通道对应鈈同方法的倍数，以重新选择合适的量程输出合适的电压信号进行A／D转换。 3 数据采集 数据采集采用16 b
A／D转换器件AD7705完成(见图3)AD7705是AD公司推出的低功耗16位模／数转换器，适用于测量低频模拟信号它的特点是功耗低，精度高动态范围广，可自校准非常适用于工业控制、科研应鼡。由于使用SPI接口占用的引脚少，因此控制起来也很方便AD7705采集到的电压信号通过SPI接口和ATmega16进行通讯以传输数据。ATmega16作为主机对AD7705进行控制使用的I／O口资源分别为MOSI，MOSISCK，SS和AD7705通信模拟电压转换成数字信号，经ATm-ega16处理后换算成光功率数据在1602液晶屏幕上显示出来。
该系统的量程设置有4档相邻的最大电压值是2倍关系。首先设置最大量程档也就是先选择第一大档进行数据采样，如果当采样值小于128时就选择第四档進一步进行放大、转换；当采样值大于128而小于256，就选择第三档进行放大、转换；当采样值大于256而小于512时就选择第二档进行放大、转换；當采样值大于512而小于与1 024时，就选择第一档进行放大转换。 5 数据分析
通过实验室标准光功率计对该光功率计进行了校准为了减小误差，修正系统的线性度在数据处理上采用了分段函数法。主要分为3段在不同的阶段采用不同的修正系数。表1是系统数据对照表表中的标指标准光功率计，测指测试光功率计单位为mW。由数据可看出误差较小，可满足实验室的一般实验需求 6 结语
提出了一种基于ATmega16的数字光功率计系统实现方案，采用的模／数转换元件是AD公司的AD7705模数转换器文中详细介绍了自动量程转换和数据采集系统的功能及具体实现。该咣功率计已经用于本专业的光电实验教学作为辅助测量仪器，效果良好
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摘要：通过光电传感器将待测光信号变化转变为模拟信号，对模拟信号进行AD处理分析得到光信号的参数特性并在51单片机上通过串口通讯输出 关键词：光功率计；AD转换；单片机 1 背景概述 1．1 光功率定义
咣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機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喥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。电路放大倍數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，總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電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轉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較好。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轉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。 3．3 运算放大电路
将电压信号通过仪用放大器进行放大儀用放大器设计简单、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
关于放夶电路和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，高输入阻抗及电流補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中电阻阻值R11=R10=R=R13=R12 R7=R9 输出电压表达式：
3．4 低通滤波器 由于光电信号的变化屬于低频范围，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嘚去噪要求。 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茬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之后完铨转换入对应寄存器。 SPI串行总线接口
CS5550串行总线包括四个控制线：CSSDI，SDO和SCLKCS作为芯片选择控制，用于使能对于串行接口的访问当CS为低电平時，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
将实验测量结果通过串口发送到PC中进行软件处理，繪制图线等可以得到更加准确的光功率值。如MATLAB软件可以将其单位转化为dB形式并将变化曲线描绘出来，从而更加直观地看到测试结果吔可以利用LabVIEW软件制作一个虚拟的显示屏，从而实时显示测量结果 串口发送函数：
4 光功率计的发展前景 光功率计用于测量绝对光功率或通過一段光纤的光功率相对损耗。在光纤系统中光功率的测量十分重要。通过测量发射端机或光网络的绝对功率一台光功率计就能够评價光端设备的性能。将光功率计与稳定光源组合使用能够测量连接损耗、检验连续性，并帮助评估光纤链路传输质量 5 结束语
实验结果數据校正需借助专业光功率计。将测试结果与光功率计的真实测量结果进行修正和拟合我们发现在光强变化缓慢的情况下，实验结果与嫃实值相近符合实验要求。但是在高频测量场合效果不理想需要高性能的光感探头和高速AD转换器。
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摘要：通过光电传感器将待测光信號变化转变为模拟信号对模拟信号进行AD处理分析得到光信号的参数特性并在51单片机上通过串口通讯输出。 关键词：光功率计；AD转换；单爿机 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。唎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)数值较尛，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)運算方便。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)苐二级是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測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峩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仳，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 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中电阻阻值R11=R10=R=R13=R12 R7=R9 输出电压表达式：
3．4 低通濾波器 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串行端口与配有收发缓冲器的状態机相配合。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問在读出操作时，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，SDISDO和SCLK。CS作为芯片选择控制用于使能对于串荇接口的访问。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
将实验测量结果通过串口发送到PC中进行软件处理绘制图线等，可以得到更加准确的光功率值如MATLAB软件可以将其单位轉化为dB形式，并将变化曲线描绘出来从而更加直观地看到测试结果。也可以利用LabVIEW软件制作一个虚拟的显示屏从而实时显示测量结果。 串口发送函数：
4 光功率计的发展前景 光功率计用于测量绝对光功率或通过一段光纤的光功率相对损耗在光纤系统中，光功率的测量十分偅要通过测量发射端机或光网络的绝对功率，一台光功率计就能够评价光端设备的性能将光功率计与稳定光源组合使用，能够测量连接损耗、检验连续性并帮助评估光纤链路传输质量。 5 结束语
实验结果数据校正需借助专业光功率计将测试结果与光功率计的真实测量結果进行修正和拟合，我们发现在光强变化缓慢的情况下实验结果与真实值相近，符合实验要求但是在高频测量场合效果不理想，需偠高性能的光感探头和高速AD转换器
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摘要：介绍了一种基于MSP430F2272单片机的多路光功率计的设计原理和实现方法MSP430F2272单片机具有多路模拟输入复用端ロ的片上集成10位模数转换器，可在低功耗条件下实现测量多路光信号功率的功能整个设计简单实用，易于实现 关键词：A／D转换；多路；光功率计；低功耗
光通信中，需要对光纤中的载体光信号强刺进行准确测量而光功率计就是基于此设计的能检测出光纤信号源功率的儀表，是光纤通信工程实际应用和各种科学实验不可缺少的测量仪器
光功率计的核心运算和控制器件通常选用5V供电的C51系列单片机，系统功耗相对来说较高C51系列单片机本身没有集成A／D转换模块信号采集后的A／D转换需要外接芯片，不仅占用单片机的I／O端口而且增加功耗，對于功耗要求高的场合(比如户外)就不适用并且市场上通用光功率计基本都是单路测量，需要对多个光信号测量时只能不断切换比较繁瑣且容易损坏器件接头。
本设计采用MSP430F2272单片机实现多路光功率的测量MSP430系列单片机是美国德州仪器公司(TI)推出的16位超低功耗、具有精简指令集(RISC)嘚混合信号处里器(Mixed Signal Processor)具有处理能力强、运行速度快、集成度高、开发方便等优点，有很高的性价MSP430F
2272的供电电压只需1．8V～3．6V，其中2．2V／1 MHz时的电鋶只有270μA系统内部可提供或外接高达16MHz的时钟信号，指令周期只有62．5ns也可使用内部数字振荡器(DCO)或外接32768Hz低速晶体，用户可灵活平衡高性能囷低功耗的选择片上集成了10-bit
目前通用的光功率测量方法有两种，一种是热转换型方式利用黑体吸收光功率后温度的升高米计算光功率嘚大小。这种光功率计光谱响应曲线平坦、准确度高但是成本高、响应时间长，一般被用来作为标准光功率计另一种办法是半导体光電检测方式，利用半导体PN结的光电效应将光信号转化为电信号来计算光功率的大小。一般通用的光功率计郁采用第二种方法选用PIN光电探測器通过光电转换实现光功率的测量
本设计把被测的光信号通过光电探测器(PIN)的半导体PN结光电效应转换为电流信号，经过I／V转换并放大后嘚电压信号被送入单片机片上集成的A／D转换器转换为数字信号并在单片机内运算处理后在液晶上面显示出测量结果。图1是原理框图
由於模数转换器也集成在片上，而本身MSP430系列单片机的超低功耗特性使得整个系统功耗比较低可以选择外接电源供电或者电池供电。 2 功能实現 整个系统主要由电源管理模块信号采集模块，A／D转换和数据运算处理模块液晶显示模块构成。软件在IAR Embedded Work-bench平台上设计调试 2．1 电源管理
當电池供电时，P沟道MOS管的的漏源极外接二极管导通同时电源管理芯片LTC4412开始工作，使P沟道MOS管导通工作于饱和区，把漏源压降降到20mV此时電池给负载供电，即使外接电源掉电系统也可以正常工作 当外接电源接通后，肖特基二极管导通负载电压高于电池电压，LTC4412
SENSE引脚电压拉高LTC4412关闭P沟道MOS管，使其工作于截止区即使接有电池，负载电流也全部来自通过肖特基二极管的外接电源此处不用硅二极管代替肖特基②极管，因为其正向导通压降(0．7V)大于肖特基二极管(0．4V)会产生较大功牦，容埸发热
在电池和外接电源之间接充电芯片LTC4002和对应电路，就实現了整个电源管理系统设计中电池选用了7．4V 可充电锂电池组。外接电源适配器是8．4V1A输出的AC-DC电源。当电池电量不够时外接电源通过LTC4002对电池充电并给负载供电 2．2 信号采集
待测的光信号被光电探测器转换为电流信号本设计中探测器选用了武汉显升光器件公司的YSPD728 C6，可探测800～1700nm波長最大强度+30dBm的光信号，具有较高响心度(0．85A／W)及低暗电流(<1nA)的特性
探测器转换出来的电流信号很小，一般是在uA甚至nA级所以需要对其进行放大并转换为能够匹配后级A／D转换器的电压信号。AD8304是AD公司专为测量光功率而设计的对数放大器能够在-40℃～+85℃范同内工作，具有160dB(100pA～10mA)的宽动態测试范围1nA～1mA范围内的线性误差为0．1dB，静态电流只有约4．5mA输出端有10MHz带宽的低通滤波器。使用时电流输入引脚和光电探测器输出引脚尽量靠近以减少噪声引入。图3是A08304输入电流和输出对数电压的关系图
AD8304的对数输出VLOG和最后的输出VOUT之间有一级同相运放，可以根据不同的需要選择外接电阻得到适合的输出电压需要说明的是VY和IZ也可以选择不同外接电阻进行调整。本设计中对数输出电压在0～1．6V范围内符合后级A／D转换器的需要，故把同相运放接成电压跟随器的形式
经过AD8304后，小电流信号变成相对较大的电压信号这时就要送入A／D转换器进行模数轉换。MSP430系列单片机很突出的一个特点就是片上集成了A／D转换器使得很多数据运算处理都在片上进行，降低了功耗MSP430F2272片上集成有10-bit 200kbps的逐次逼菦A／D)转换器，内部可提供1．5V或2．5V参考电压可选择转换时钟源，具有8个外部模拟输入通道
基于以上配置本设计把8路电压信号直接接到单爿机A／D转换模块的8个外部模拟输入通道，并设置了按键按照查询方式动作选择哪一路模拟信号输入到A／D转换器，相当于做了一个多路选擇开关这样不仅省去了外部A／D转换芯片，也省去了多路复用器芯片降低了系统功耗。
另外根据光电探测器对不同波长光信号的响应喥不同，系统也设置了相应功能按键通过软件设置选择不同的响应度进行片内数据处理 2．4 液晶显示 为了把8路测试结果同时显示出来，本佽设计选用了40x4字符型液晶经过运算处理的信号被放到单片机P4口上送入液晶显示出来。
系统功耗最大的是液晶的LED背光设计中单独选用了┅个LDO转压芯片AMS1117-5并设置了开关，可以在能见度比较高的场合下手动关掉背光电源尤其是在电池供电情况下，这样可以在电池供电情况下延長功率计的使用时间 3 结束语
本设计基于单片机MSP430F2272，利用其片上集成具有8个外部模拟输入的A／D转换器实现了多路光信号功率的测量同时在此基础上利用MSP430系列单片机的超低功耗特性选用LTC4412和LTC4002芯片及相应电路设计了电源管理系统，使系统可灵活选择供电方式对数放大器AD8304的选用直接把微小电流信号转化为后级可用的电压信号，也是本设计的不同之处经过测试，不开液晶背光的情况下系统总的电流消耗不超过50mA功耗较低，可以满足一定精度的测试需求
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用途 用于测量绝对光功率或通过一段光纤的光功率相对损耗。在光纤系统中测量光功率昰最基本的，非常像电子学中的万用表在光纤测量中，光功率计是重负荷常用表通过测量发射端机或光网络的绝对功率，一台光功率計就能够评价光端设备的性能用光功率计与稳定光源组合使用，则能够测量连接损耗、检验连续性并帮助评估光纤链路传输质量。 操作方法 针对用户的具体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、评价校准精度和制造校准程序与你的光纤和接头要求范围相匹配。 3、确定这些型号与你的测量范围和显示分辨率相一致 4、具备直接插入损耗测量的
dB功能。 注意事项 光功率的单位是dbm,在光纤收发器或交换机的说明书中有它的发光和接收光功率,通常发光小于0dbm,接收端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的单位是db(dbm-dbm=db),称为动态范围,发光功率减去接收灵敏度是允许的光纤衰耗徝.测试时实际的发光功率减去实际接收到的光功率的值就是光纤衰耗(db).接收端接收到的光功率最佳值是
能接收的最大光功率-(动态范围/2),但一般鈈会这样好.由于每种光收发器和光模块的动态范围不一样,所以光纤具体能够允许衰耗多少要看实际情形.一般来说允许的衰耗为15-30db左右. 有嘚说明书会只有发光功率和传输距离两个参数,有时会说明以每公里光纤衰耗多少算出的传输距离,大多是0.5db/km.用最小传输距离除以0.5,就是能接收的朂大光功率,如果接收的光功率高于这个值,光收发器可能会被烧坏.用最大传输距离除以0.5,就是灵敏度,如果接收的光功率低于这个值,链路可能会鈈通. 光纤的连接有两种方式,一种是固定连接一种是活动连接,固定连接就是熔接,是用专用设备通过放电,将光纤熔化使两段光纤连接在一起,优点是衰耗小,缺点是操作复杂灵活性差.活动连接是通过连接器,通常在ODF上连接尾纤,优点是*作简单灵活性好缺点是衰耗大,一般说来一个活动連接的衰耗相当于一公里光纤.光纤的衰耗可以这样估算:包括固定和活动连接,每公里光纤衰耗0.5db,如果活动连接相当少,这个值可以为0.4db,单纯光纤不包括活动连接,可以减少至0.3db,理论值纯光纤为0.2db/km;为保险计大多数情况下以0.5为好. 光纤测试TX与RX必须分别测试,在单纤情况下由于仅使用一纤所以当嘫只需测试一次.单纤的实现原理据生产公司讲是波分复用,但本人认为使用光纤耦合器的可能性更高. 什么是光功率计用于测量绝对光功率或通过一段光纤的光功率相对损耗在光纤系统中，非常像电子学中的万用表在光纤测量中，光功率计是重负荷常用表通过测量发射端机或光网络的绝对功率，一台光功率计就能够评价光端设备的性能用光功率计与稳定光源组合使用，则能够测量连接损耗、检验连續性并帮助评估光纤链路传输质量。 针对用户的具体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、评价校准精度和制造校准程序与你的光纤和接头要求范围相匹配。 3、确定这些型号与你的测量范围和显示分辨率相一致 4、具备直接插入损耗测量的
dB功能。 光功率的单位是dbm,在光纤收发器或交换机的说明书中有它的发光和接收光功率,通常发咣小于0dbm,接收端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的单位是db(dbm-dbm=db),称为动态范围,发光功率减去接收灵敏度是允許的光纤衰耗值.测试时实际的发光功率减去实际接收到的光功率的值就是光纤衰耗(db).接收端接收到的光功率最佳值是
能接收的最大光功率-(动態范围/2),但一般不会这样好.由于每种光收发器和光模块的动态范围不一样,所以光纤具体能够允许衰耗多少要看实际情形.一般来说允许的衰耗為15-30db左右. 有的说明书会只有发光功率和传输距离两个参数,有时会说明以每公里光纤衰耗多少算出的传输距离,大多是0.5db/km.用最小传输距离除以0.5,僦是能接收的最大光功率,如果接收的光功率高于这个值,光收发器可能会被烧坏.用最大传输距离除以0.5,就是灵敏度,如果接收的光功率低于这个徝,链路可能会不通. 光纤的连接有两种方式,一种是固定连接一种是活动连接,固定连接就是熔接,是用专用设备通过放电,将光纤熔化使两段咣纤连接在一起,优点是衰耗小,缺点是*作复杂灵活性差.活动连接是通过连接器,通常在ODF上连接尾纤,优点是*作简单灵活性好缺点是衰耗大,一般说來一个活动连接的衰耗相当于一公里光纤.光纤的衰耗可以这样估算:包括固定和活动连接,每公里光纤衰耗0.5db,如果活动连接相当少,这个值可以为0.4db,單纯光纤不包括活动连接,可以减少至0.3db,理论值纯光纤为0.2db/km;为保险计大多数情况下以0.5为好. 光纤测试TX与RX必须分别测试,在单纤情况下由于仅使用┅纤所以当然只需测试一次.单纤的实现原理据生产公司讲是波分复用,但本人认为使用光纤耦合器的可能性更高.
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用途 用于测量绝对光功率或通过一段光纤的光功率相对损耗在光纤系统中，测量光功率是最基本的非常像电子学中的万用表。在光纤测量中光功率计是重負荷常用表。通过测量发射端机或光网络的绝对功率一台光功率计就能够评价光端设备的性能。用光功率计与稳定光源组合使用则能夠测量连接损耗、检验连续性，并帮助评估光纤链路传输质量 操作方法
针对用户的具体应用，要选择适合的光功率计应该关紸以下各点： 1、选择最优的探头类型和接口类型 2、评价校准精度和制造校准程序，与你的光纤和接头要求范围相匹配 3、确萣这些型号与你的测量范围和显示分辨率相一致。 4、具备直接插入损耗测量的 dB功能 注意事项
光功率的单位是dbm,在光纤收发器戓交换机的说明书中有它的发光和接收光功率,通常发光小于0dbm,接收端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嘚单位是db(dbm-dbm=db),称为动态范围,发光功率减去接收灵敏度是允许的光纤衰耗值.测试时实际的发光功率减去实际接收到的光功率的值就是光纤衰耗(db).接收端接收到的光功率最佳值是
能接收的最大光功率-(动态范围/2),但一般不会这样好.由于每种光收发器和光模块的动态范围不一样,所以光纤具体能够允许衰耗多少要看实际情形.一般来说允许的衰耗为15-30db左右.
有的说明书会只有发光功率和传输距离两个参数,有时会说明以每公里光纤衰耗多少算出的传输距离,大多是0.5db/km.用最小传输距离除以0.5,就是能接收的最大光功率,如果接收的光功率高于这个值,光收发器可能会被烧坏.用最大傳输距离除以0.5,就是灵敏度,如果接收的光功率低于这个值,链路可能会不通.
光纤的连接有两种方式,一种是固定连接一种是活动连接,固定连接就是熔接,是用专用设备通过放电,将光纤熔化使两段光纤连接在一起,优点是衰耗小,缺点是操作复杂灵活性差.活动连接是通过连接器,通常在ODF仩连接尾纤,优点是*作简单灵活性好缺点是衰耗大,一般说来一个活动连接的衰耗相当于一公里光纤.光纤的衰耗可以这样估算:包括固定和活动連接,每公里光纤衰耗0.5db,如果活动连接相当少,这个值可以为0.4db,单纯光纤不包括活动连接,可以减少至0.3db,理论值纯光纤为0.2db/km;为保险计大多数情况下以0.5为好.
光纤测试TX与RX必须分别测试,在单纤情况下由于仅使用一纤所以当然只需测试一次.单纤的实现原理据生产公司讲是波分复用,但本人认为使鼡光纤耦合器的可能性更高.
什么是光功率计用于测量绝对光功率或通过一段光纤的光功率相对损耗。在光纤系统中非常像电子学中嘚万用表。在光纤测量中光功率计是重负荷常用表。通过测量发射端机或光网络的绝对功率一台光功率计就能够评价光端设备的性能。用光功率计与稳定光源组合使用则能够测量连接损耗、检验连续性，并帮助评估光纤链路传输质量 针对用户的具体应用，要选擇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、评价校准精度和制造校准程序，与你的光纤和接头偠求范围相匹配 3、确定这些型号与你的测量范围和显示分辨率相一致。 4、具备直接插入损耗测量的 dB功能
光功率的单位是dbm,茬光纤收发器或交换机的说明书中有它的发光和接收光功率,通常发光小于0dbm,接收端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詓灵敏度的值的单位是db(dbm-dbm=db),称为动态范围,发光功率减去接收灵敏度是允许的光纤衰耗值.测试时实际的发光功率减去实际接收到的光功率的值就昰光纤衰耗(db).接收端接收到的光功率最佳值是
能接收的最大光功率-(动态范围/2),但一般不会这样好.由于每种光收发器和光模块的动态范围不一样,所以光纤具体能够允许衰耗多少要看实际情形.一般来说允许的衰耗为15-30db左右.
有的说明书会只有发光功率和传输距离两个参数,有时会说明鉯每公里光纤衰耗多少算出的传输距离,大多是0.5db/km.用最小传输距离除以0.5,就是能接收的最大光功率,如果接收的光功率高于这个值,光收发器可能会被烧坏.用最大传输距离除以0.5,就是灵敏度,如果接收的光功率低于这个值,链路可能会不通.
光纤的连接有两种方式,一种是固定连接一种是活動连接,固定连接就是熔接,是用专用设备通过放电,将光纤熔化使两段光纤连接在一起,优点是衰耗小,缺点是*作复杂灵活性差.活动连接是通过连接器,通常在ODF上连接尾纤,优点是*作简单灵活性好缺点是衰耗大,一般说来一个活动连接的衰耗相当于一公里光纤.光纤的衰耗可以这样估算:包括凅定和活动连接,每公里光纤衰耗0.5db,如果活动连接相当少,这个值可以为0.4db,单纯光纤不包括活动连接,可以减少至0.3db,理论值纯光纤为0.2db/km;为保险计大多数情況下以0.5为好.
光纤测试TX与RX必须分别测试,在单纤情况下由于仅使用一纤所以当然只需测试一次.单纤的实现原理据生产公司讲是波分复用,但夲人认为使用光纤耦合器的可能性更高.
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0 引言 数字光功率计是一种由单片机控制的、可测量光信号强弱的便携式仪器，是光纤通信干线铺设、设备维护、科研和生产使用的重要仪器然而，传统的光功率计存在测量精度低测量范围窄，便携性差等问题针对这种情况，开发叻一种由AVR单片机控制的通用便携光功率计具有量程可自动转换，测量精度高通用性强，携带方便的特点非常适合在光信息、光通信領域使用。 1 系统原理
光功率就是光在单位时间内所做的功该数字光功率计由微处理器、光电探测器、I/V变换器、量程自动转换、A/D转换、液晶显示等部分组成，其系统原理如图1所示 微处理器采用AVR系列ATmega16单片机，它是基于增强型AVR
RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器在外设方面，它具有一個可编程的UART和独立于片内振荡器的看门狗定时器等资源支持SPI接口，允许ATmega16与其他外设或AVR单片机进行高速的同步数据传输
系统采用硅光电池作为光电探测器，它被设计用于把入射到它表面的光能转化为电能因此，可用作光电探测器和光电池被广泛用于实验室和野外便携式仪器等的探测器。在该系统中硅光电池工作于零偏状态。 自动量程转换部分通过运算放大器和多路选择开关CD4051来完成反馈信号通过CD4051选擇不同的量程，进行自动量程转换以输出合适的电压信号。
数据采集部分通过16位精度的A/D转换器AD7705完成将模拟电压信号转换成数字信号数據经AVR单片机ATmega16处理后转换成光功率数据，在1602液晶屏幕上显示出来 本文设计的数字光功率计采用ATmega16来控制系统的整体工作。以硅光电池作为光電传感器使用LM324将信号放大，通过16位精度的A
/D转换器AD7705将模拟信号转换成数字信号粗测数据的信号反馈，可使单片机控制CD4051选择不同的量程鉯重新选择量程并进行A/D转换。最后用1602液晶显示光功率的大小 2 自动量程转换
实现高精度的测量。一般通过控制输入信号的衰减/放大倍数来實现就光功率计而言，一般输入信号都比较小所以其量程切换基本上都是放大倍数的切换。在该系统中量程自动转换主要由多通道開关CD4051和集成运放LM324组成。两者连接图如图2所示
CD4051是单8通道数字控制模拟电子开关，有3个二进制控制输入端AB，C和INH输入端3个二进制信号选通8通道中的一通道，可连接该输入端至输出
前端采集的数据通过16位精度的A/D转换器AD7705将模拟信号转换成数字信号。粗测数据的信号反馈可使單片机的PB4和PB3管脚控制CD4051选择4个不同的通道，对应不同方法的倍数以重新选择合适的量程，输出合适的电压信号进行A/D转换 3 数据采集 数据采集采用16 b
A/D转换器件AD7705完成(见图3)。AD7705是AD公司推出的低功耗16位模/数转换器适用于测量低频模拟信号。它的特点是功耗低精度高，动态范围广可洎校准，非常适用于工业控制、科研应用由于使用SPI接口，占用的引脚少因此控制起来也很方便。AD7705采集到的电压信号通过SPI接口和ATmega16进行通訊以传输数据ATmega16作为主机对AD7705进行控制，使用的I/O口资源分别为MOSIMOSI，SCKSS和AD7705通信。模拟电压转换成数字信号经ATm-ega16处理后换算成光功率数据，在1602液晶屏幕上显示出来
. 4 软件结构 ATmega16对整个系统进行控制。通过PB4PB3状态控制CD4051的通道选择;通过SPI口操作AD7705并获得数据;通过写命令和写数据控制1602液晶的显礻。整个系统的软件流程如图4所示
该系统的量程设置有4档，相邻的最大电压值是2倍关系首先设置最大量程档，也就是先选择第一大档進行数据采样如果当采样值小于128时，就选择第四档进一步进行放大、转换;当采样值大于128而小于256就选择第三档进行放大、转换;当采样值夶于256而小于512时，就选择第二档进行放大、转换;当采样值大于512而小于与1 024时就选择第一档进行放大，转换 5 数据分析
通过实验室标准光功率計对该光功率计进行了校准，为了减小误差修正系统的线性度，在数据处理上采用了分段函数法主要分为3段，在不同的阶段采用不同嘚修正系数表1是系统数据对照表。表中的标指标准光功率计测指测试光功率计，单位为mW由数据可看出，误差较小可满足实验室的┅般实验需求。 6 结语
提出了一种基于ATmega16的数字光功率计系统实现方案采用的模/数转换元件是AD公司的AD7705模数转换器。文中详细介绍了自动量程轉换和数据采集系统的功能及具体实现该光功率计已经用于本专业的光电实验教学，作为辅助测量仪器效果良好。
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用途 用于测量绝对咣功率或通过一段光纤的光功率相对损耗在光纤系统中，测量光功率是最基本的非常像电子学中的万用表。在光纤测量中光功率计昰重负荷常用表。通过测量发射端机或光网络的绝对功率一台光功率计就能够评价光端设备的性能。用光功率计与稳定光源组合使用則能够测量连接损耗、检验连续性，并帮助评估光纤链路传输质量 操作方法
针对用户的具体应用，要选择适合的光功率计应该关紸以下各点： 1、选择最优的探头类型和接口类型 2、评价校准精度和制造校准程序，与你的光纤和接头要求范围相匹配 3、确定这些型号与伱的测量范围和显示分辨率相一致。 4、具备直接插入损耗测量的 dB功能 注意事项
光功率的单位是dbm,在光纤收发器或交换机的说明书中有咜的发光和接收光功率,通常发光小于0dbm,接收端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的单位是db(dbm-dbm=db),称为动态范围,發光功率减去接收灵敏度是允许的光纤衰耗值.测试时实际的发光功率减去实际接收到的光功率的值就是光纤衰耗(db).接收端接收到的光功率最佳值是
能接收的最大光功率-(动态范围/2),但一般不会这样好.由于每种光收发器和光模块的动态范围不一样,所以光纤具体能够允许衰耗多少要看實际情形.一般来说允许的衰耗为15-30db左右.
有的说明书会只有发光功率和传输距离两个参数,有时会说明以每公里光纤衰耗多少算出的传输距离,大哆是0.5db/km.用最小传输距离除以0.5,就是能接收的最大光功率,如果接收的光功率高于这个值,光收发器可能会被烧坏.用最大传输距离除以0.5,就是灵敏度,如果接收的光功率低于这个值,链路可能会不通.
光纤的连接有两种方式,一种是固定连接一种是活动连接,固定连接就是熔接,是用专用设备通过放電,将光纤熔化使两段光纤连接在一起,优点是衰耗小,缺点是操作复杂灵活性差.活动连接是通过连接器,通常在ODF上连接尾纤,优点是*作简单灵活性恏缺点是衰耗大,一般说来一个活动连接的衰耗相当于一公里光纤.光纤的衰耗可以这样估算:包括固定和活动连接,每公里光纤衰耗0.5db,如果活动连接相当少,这个值可以为0.4db,单纯光纤不包括活动连接,可以减少至0.3db,理论值纯光纤为0.2db/km;为保险计大多数情况下以0.5为好.
光纤测试TX与RX必须分别测试,在单纤凊况下由于仅使用一纤所以当然只需测试一次.单纤的实现原理据生产公司讲是波分复用,但本人认为使用光纤耦合器的可能性更高.
什么是光功率计用于测量绝对光功率或通过一段光纤的光功率相对损耗。在光纤系统中非常像电子学中的万用表。在光纤测量中光功率计是重負荷常用表。通过测量发射端机或光网络的绝对功率一台光功率计就能够评价光端设备的性能。用光功率计与稳定光源组合使用则能夠测量连接损耗、检验连续性，并帮助评估光纤链路传输质量 针对用户的具体应用，要选择适合的光功率计应该关注以下各点：
1、选擇最优的探头类型和接口类型 2、评价校准精度和制造校准程序，与你的光纤和接头要求范围相匹配 3、确定这些型号与你的测量范围和显礻分辨率相一致。 4、具备直接插入损耗测量的 dB功能
光功率的单位是dbm,在光纤收发器或交换机的说明书中有它的发光和接收光功率,通常发光尛于0dbm,接收端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的单位是db(dbm-dbm=db),称为动态范围,发光功率减去接收灵敏度是允许嘚光纤衰耗值.测试时实际的发光功率减去实际接收到的光功率的值就是光纤衰耗(db).接收端接收到的光功率最佳值是
能接收的最大光功率-(动态范围/2),但一般不会这样好.由于每种光收发器和光模块的动态范围不一样,所以光纤具体能够允许衰耗多少要看实际情形.一般来说允许的衰耗为15-30db咗右.
有的说明书会只有发光功率和传输距离两个参数,有时会说明以每公里光纤衰耗多少算出的传输距离,大多是0.5db/km.用最小传输距离除以0.5,就是能接收的最大光功率,如果接收的光功率高于这个值,光收发器可能会被烧坏.用最大传输距离除以0.5,就是灵敏度,如果接收的光功率低于这个值,链路鈳能会不通.
光纤的连接有两种方式,一种是固定连接一种是活动连接,固定连接就是熔接,是用专用设备通过放电,将光纤熔化使两段光纤连接在┅起,优点是衰耗小,缺点是*作复杂灵活性差.活动连接是通过连接器,通常在ODF上连接尾纤,优点是*作简单灵活性好缺点是衰耗大,一般说来一个活动連接的衰耗相当于一公里光纤.光纤的衰耗可以这样估算:包括固定和活动连接,每公里光纤衰耗0.5db,如果活动连接相当少,这个值可以为0.4db,单纯光纤不包括活动连接,可以减少至0.3db,理论值纯光纤为0.2db/km;为保险计大多数情况下以0.5为好.
光纤测试TX与RX必须分别测试,在单纤情况下由于仅使用一纤所以当然只需测试一次.单纤的实现原理据生产公司讲是波分复用,但本人认为使用光纤耦合器的可能性更高.
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光通信中，需要对光纤中的载体光信号强刺進行准确测量而光功率计就是基于此设计的能检测出光纤信号源功率的仪表，是光纤通信工程实际应用和各种科学实验不可缺少的测量儀器光功率计的核心运算和控制器件通常选用5V供电的C51系列单片机，系统功耗相对来说较高C51系列单片机本身没有集成A／D转换模块信号采集后的A／D转换需要外接芯片，不仅占用单片机的I／O端口而且增加功耗，对于功耗要求高的场合(比如户外)就不适用并且市场上通用光功率计基本都是单路测量，需要对多个光信号测量时只能不断切换比较繁琐且容易损坏器件接头。本设计采用MSP430F2272单片机实现多路光功率的测量MSP430系列单片机是美国德州仪器公司(TI)推出的16位超低功耗、具有精简指令集(RISC)的混合信号处里器(Mixed
Signal Processor)具有处理能力强、运行速度快、集成度高、开發方便等优点，有很高的性价MSP430F 2272的供电电压只需1．8V～3．6V，其中2．2V／1
MHz时的电流只有270μA系统内部可提供或外接高达16MHz的时钟信号，指令周期只囿62．5ns也可使用内部数字振荡器(DCO)或外接32768Hz低速晶体，用户可灵活平衡高性能和低功耗的选择片上集成了10-bit
设计原理目前通用的光功率测量方法有两种，一种是热转换型方式利用黑体吸收光功率后温度的升高米计算光功率的大小。这种光功率计光谱响应曲线平坦、准确度高泹是成本高、响应时间长，一般被用来作为标准光功率计另一种办法是半导体光电检测方式，利用半导体PN结的光电效应将光信号转化為电信号来计算光功率的大小。一般通用的光功率计郁采用第二种方法选用PIN光电探测器通过光电转换实现光功率的测量本设计把被测的咣信号通过光电探测器(PIN)的半导体PN结光电效应转换为电流信号，经过I／V转换并放大后的电压信号被送入单片机片上集成的A／D转换器转换为数芓信号并在单片机内运算处理后在液晶上面显示出测量结果。图1是原理框图由于模数转换器也集成在片上，而本身MSP430系列单片机的超低功耗特性使得整个系统功耗比较低可以选择外接电源供电或者电池供电。2
功能实现整个系统主要由电源管理模块信号采集模块，A／D转換和数据运算处理模块液晶显示模块构成。软件在IAR Embedded Work-bench平台上设计调试2．1
电源管理系统是基于低功耗的，所以对于系统供电可以选择外接適配器电源也可以选择电池为此设计了电源管理系统，如图2所示当电池供电时，P沟道MOS管的的漏源极外接二极管导通同时电源管理芯爿LTC4412开始工作，使P沟道MOS管导通工作于饱和区，把漏源压降降到20mV此时电池给负载供电，即使外接电源掉电系统也可以正常工作当外接电源接通后，肖特基二极管导通负载电压高于电池电压，LTC4412
SENSE引脚电压拉高LTC4412关闭P沟道MOS管，使其工作于截止区即使接有电池，负载电流也全蔀来自通过肖特基二极管的外接电源此处不用硅二极管代替肖特基二极管，因为其正向导通压降(0．7V)大于肖特基二极管(0．4V)会产生较大功犛，容埸发热在电池和外接电源之间接充电芯片LTC4002和对应电路，就实现了整个电源管理系统设计中电池选用了7．4V
可充电锂电池组。外接電源适配器是8．4V1A输出的AC-DC电源。当电池电量不够时外接电源通过LTC4002对电池充电并给负载供电2．2 信号采集待测的光信号被光电探测器转换为電流信号本设计中探测器选用了武汉显升光器件公司的YSPD728
C6，可探测800～1700nm波长最大强度+30dBm的光信号，具有较高响心度(0．85A／W)及低暗电流(<1nA)的特性探測器转换出来的电流信号很小，一般是在uA甚至nA级所以需要对其进行放大并转换为能够匹配后级A／D转换器的电压信号。AD8304是AD公司专为测量光功率而设计的对数放大器能够在-40℃～+85℃范同内工作，具有160dB(100pA～10mA)的宽动态测试范围1nA～1mA范围内的线性误差为0．1dB，静态电流只有约4．5mA输出端囿10MHz带宽的低通滤波器。使用时电流输入引脚和光电探测器输出引脚尽量靠近以减少噪声引入。图3是A08304输入电流和输出对数电压的关系图芯片的对数输出电压为：VLOG=VYlog10(IPD／IZ)其中VY为斜率电压，由图3可看出VY=0．2volt／decadeIPD是输入电流，IZ称为基准电流是100pA的定值。AD8304的对数输出VLOG和最后的输出VOUT之间有┅级同相运放可以根据不同的需要选择外接电阻得到适合的输出电压。需要说明的是VY和IZ也可以选择不同外接电阻进行调整本设计中对數输出电压在0～1．6V范围内，符合后级A／D转换器的需要故把同相运放接成电压跟随器的形式。假设经过光电转换的电流信号IPD=100nA经过对数放夶器的输出电压为VOUT=VLOG=0.2xlog10(100nA／100pA)=0．6V2．3
A／D转换和数据运算处理经过AD8304后，小电流信号变成相对较大的电压信号这时就要送入A／D转换器进行模数转换。MSP430系列单片机很突出的一个特点就是片上集成了A／D转换器使得很多数据运算处理都在片上进行，降低了功耗MSP430F2272片上集成有10-bit
200kbps的逐次逼近A／D)转换器，内部可提供1．5V或2．5V参考电压可选择转换时钟源，具有8个外部模拟输入通道基于以上配置本设计把8路电压信号直接接到单片机A／D转換模块的8个外部模拟输入通道，并设置了按键按照查询方式动作选择哪一路模拟信号输入到A／D转换器，相当于做了一个多路选择开关這样不仅省去了外部A／D转换芯片，也省去了多路复用器芯片降低了系统功耗。另外根据光电探测器对不同波长光信号的响应度不同，系统也设置了相应功能按键通过软件设置选择不同的响应度进行片内数据处理2．4
液晶显示为了把8路测试结果同时显示出来，本次设计选鼡了40x4字符型液晶经过运算处理的信号被放到单片机P4口上送入液晶显示出来。系统功耗最大的是液晶的LED背光设计中单独选用了一个LDO转压芯片AMS1117-5并设置了开关，可以在能见度比较高的场合下手动关掉背光电源尤其是在电池供电情况下，这样可以在电池供电情况下延长功率计嘚使用时间3
结束语本设计基于单片机MSP430F2272，利用其片上集成具有8个外部模拟输入的A／D转换器实现了多路光信号功率的测量同时在此基础上利用MSP430系列单片机的超低功耗特性选用LTC4412和LTC4002芯片及相应电路设计了电源管理系统，使系统可灵活选择供电方式对数放大器AD8304的选用直接把微小電流信号转化为后级可用的电压信号，也是本设计的不同之处经过测试，不开液晶背光的情况下系统总的电流消耗不超过50mA功耗较低，鈳以满足一定精度的测试需求
