一種基于STM32的光功率計的設計與實現(xiàn) - 全文

1、引言

針對目前市場上傳統(tǒng)的光功率計動態(tài)范圍小、測試精度低、非線性誤差明顯、檔位切換速度慢等缺點，設計了一款基于STM32的高精度光功率計，采用先進的大動態(tài)波長響應范圍的INGAAS－PIN光電探測器，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)轉換器ADS1232和美信公司的高速多路模擬開關MAＸ4051進行系統(tǒng)的設計，利用STM32控制放大量程增益自動切換技術，消除光電探測器在同一波長不同光強下對光的非線性響應導致的測量誤差，可以大大提高光功率計測試的精度和可靠性。

2、系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示，INGAAS－PIN光電探測器將檢測到光信號轉變?yōu)?a href="http://www.1cnz.cn/tags/電流/" target="_blank">電流信號，進行I／V（電流電壓）變換后輸出電壓信號，經(jīng)過放大和濾波處理后的電壓信號送入A／D進行模數(shù)轉換，根據(jù)轉換的數(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切換來獲得合適的可供計算的數(shù)字量，最后由STM32控制器來進行數(shù)據(jù)的處理和分析，再送入液晶ＬＣD進行功率顯示，并實現(xiàn)系統(tǒng)的按鍵控制，數(shù)據(jù)存儲和串口通信等操作。

圖1系統(tǒng)原理

3、光功率計硬件實現(xiàn)

3．1、INGAAS－PIN光電探測器

目前流行的光電探測器有PIN光電二極管和APD雪崩光電二極管，APD具有很高的檢測速度，在高速光電檢測應用行業(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，不適合在精確測量時使用。在光功率設計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的波長范圍。不同材料的PIN光電探測器響應度R和波長λ的關系如圖2所示。

圖2 PIN光電探測器響應度R和波長λ的關系

絕對響應度是衡量光電探測器性能優(yōu)越的一個重要指標，決定光電流與光功率之間的關系。響應度公式定義為：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度。

設計中選用重慶某公司的光電探測器，其主要的性能指標如表1所示。

表1INGAAS－PIN光電探測器主要性能參數(shù)

3．2、電流電壓變換

光電探測器將光信號轉變?yōu)殡娏餍盘枺O計前端使用一個I／V變換電路采集電流信號，并轉換為相應的電壓信號，一個電流－電壓轉換器（I／V轉換器）也稱為跨阻放大器［7］（TRANSRｅSISTANｃｅAMPｌIｆIｅR），它接受一個輸入電流I，并形成為V＝AI的輸出電壓，這里A是電路增益，以V／A計。參照圖3，假設運算放大器是理想的。在虛地節(jié)點將電流相加給出－IS＋（V－0）／R＝0，即：

V＝RIS（2）

R是電路增益，增益的幅度稱為該轉換器的靈敏度。

圖3 ?I／V轉換電路

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模式，光電導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制中的應用。光電模式則可提供較低的噪聲，更低的暗電流，適合于測量和儀器儀表方面的應用。

3．3、程控放大

考慮到采集的光功率信號范圍比較大（NW～MW），當放大器增益固定時，會出現(xiàn)小信號無法得到有效放大而降低A／D的有效精度，同時由于光電探測器在同一波長的不同光強下對光的響應不是線性的，固定增益測量會出現(xiàn)非線性誤差。解決方法是對小信號輸入采用高倍放大，對大信號輸入采用低倍放大，根據(jù)采集到的信號大小，自動改變增益和衰減，切換到合適的量程，即在放大電路中使用量程自動切換技術，在檢測范圍內(nèi)將光功率按照光強不同分為八段，每一段對應一個量程，這種技術可以有效消除測量時的非線性誤差，在增加測量的動態(tài)范圍的同時，提高了測量的精度。

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

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

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，那么可以很容易計算出VN為：

VN＝RｆID（4）

由式（3）可知，V0的計算值中包含了多路模擬開關的導通電阻R2，是一個干擾因素，而VN點的電壓正是我們希望采樣的信號值，故在該節(jié)點連接另一個多路模擬開關采集信號，它仍然存在導通電阻R2，但此時V1的幅值和VN大小相等，即：

V1＝VN＝RｆID（5）

通過使用兩個MAＸ4051的電路設計，可以避免模擬開關導通電阻對功率測量的影響。

圖4 ?程控放大原理

低噪聲的前置放大器是用來放大探測器輸出的微弱電流信號，并實現(xiàn)前后級電路的阻抗匹配。在最低光強時需要檢測到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，同時偏置電流應該保持在PA級別，還要具有很好的噪聲性能，同時具備以上幾點才能保證在最高靈敏度時可以檢測到微弱的光電流信號。設計時選用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的放大要求。光功率計的程控放大電路如圖5所示。

圖5 ?程控放大電路

3．4、A／D轉換設計

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

圖6 A／D接口電路

4、系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

4．1、STM32主控制流程

微處理器上電后首先進行初始化，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。顯示初始化為了設置背景色和顯示方式。選擇默認檔位后開始模數(shù)轉換，等待轉換結束后讀取A／D轉換數(shù)據(jù)并選擇顯示波長后送入數(shù)據(jù)處理模塊，進行數(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、自動量程控制流程

具體流程圖如圖8所示。

圖8 ?自動量程控制流程

5、數(shù)據(jù)處理和校正

STM32微控制器的數(shù)據(jù)處理是實現(xiàn)光功率測量的核心部分，這里需要對從模數(shù)轉換器讀取的數(shù)字量進行數(shù)據(jù)處理和修正。首先，為了減少暗電流對測量結果的影響需要進行清除暗電流的處理。然后，選擇是否進行數(shù)字平均值濾波，以便進一步提高測量數(shù)據(jù)的精度。接下來，讀取被測光的波長用以計算光功率值（單位是dBM），光功率計算方法由以下計算公式給出：

P＝10ｌG（ADVAｌｕｅ）（6）

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

計算得到光功率值是一個初始值，需要進行相關修正和校準才能保證其準確度。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稱為估算校準值，可根據(jù)初始光功率值估算得到；K1稱為小誤差校準值，是在估算校準的基礎上進一步減少測試誤差而進行的校準，一般通過和標準光功率計進行校準得到，其校準原理圖如圖9所示。

圖9 ?校準原理

K2稱為增益校準值，由于放大增益不固定而設置，相鄰的量程增益相差10倍，則增益校準值相差10dBM；

K3稱為波長校準值，由于光電探測器對不同波長的光的響應度不同，由此引起的誤差需要進行波長校準，主要涉及1310NM和1550NM波長。

光功率經(jīng)過校準后得到了精確的光功率值，需要判斷是否超出設計指標的－70～＋6dBM的測量量程。為了方便按鍵處理時進行單位的切換，必須根據(jù)精確的光功率值計算出以MW為單位的光功率值，計算公式如下：

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，可以進一步提高光功率計的測量精度，并減少測量誤差。

為了驗證搭建的樣機是否可以準確的測量光功率值大小，需要對其進行準確度測試，測試的方法根據(jù)圖9的校準原理圖進行，測試波長為1310NM，在相應波長下利用可調光源發(fā)出的13組不同強度的光同時入射進待測樣機和標準光功率計，記錄兩者測試數(shù)據(jù)進行分析比較，得出該波長下的數(shù)據(jù)擬合圖，如圖10所示。