0 引言
    光功率計作為一種測量光信號功率的精密儀器，被稱為光學(xué)中的萬用表，在當代高速發(fā)展的光纖通信工程及其相關(guān)科學(xué)實驗和教學(xué)中起著重要作用。它即可用在各類科研實驗中測量光功率，判斷光信號的傳輸衰減與損耗，也可用于光纖通信工程中對光信號傳輸進行檢測與判斷?，F(xiàn)今各類高等院校電子與通信類相關(guān)專業(yè)都開設(shè)了《光纖通信》課程，所以光功率計是一種必不可少的實驗儀器。由于目前市場上沒有專門用于實驗室教學(xué)的光功率計，學(xué)生在使用的過程中缺乏對該儀器原理及其構(gòu)造的了解。本文所介紹的數(shù)字光功率計技術(shù)先進，不僅可用于實驗室教學(xué)對光功率進行測試，又可直接針對光功率計的相關(guān)電路進行測試以及對部分電路進行重新設(shè)計驗證，從而讓學(xué)生在了解光功率計的工作原理的過程中提高實際動手能力。同時也能滿足光纖工程應(yīng)用時對光功率計性價比、測量精度、使用穩(wěn)定性、操作靈活性、體積等方面要求，充分利用有限資源實現(xiàn)一機多用的目的。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計原理圖
    硬件電路主要由光信號采集放大模塊、A／D轉(zhuǎn)換模塊、主控制模塊、顯示模塊及其他電路模塊共五大模塊組成，其原理框圖如圖l所示。為了增加儀器的測試范圍，在I／V電路中增加了由MCU控制的多路開關(guān)，實現(xiàn)大信號小放大、小信號大放大；為了增加測試精度而選用16位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7715作為AD轉(zhuǎn)換芯片。

2 主要電路模塊設(shè)計
2．1 光信號采集電路與濾波
    為了減小光電二極管的暗電流噪聲，光電二極管工作在光伏模式。系統(tǒng)中的光信號采集電路采用四路集成運放對PIN探測器撲捉到的電信號進行放大、I／V轉(zhuǎn)換、濾波和自動量程轉(zhuǎn)換控制。由于光電檢測器轉(zhuǎn)換的光電流很小且變化范圍較大，當放大器增益固定時會出現(xiàn)小信號得不到有效放大而降低A／D轉(zhuǎn)換的精度。同時AD7715的模擬輸入端要求的電壓輸入必須限定在0~5V的范圍，這就要求根據(jù)光電流的大小適當?shù)卣{(diào)整放大倍數(shù)。通過單片機對多路模擬開關(guān)的控制，實現(xiàn)自動量程選擇，電路如圖2。

濾波電路使用的是相關(guān)設(shè)計軟件所設(shè)計的巴特沃斯有源低通濾波器，該電路為可擴展性電路：由一刀雙擲開關(guān)控制。當用于工業(yè)測量使用時打開開關(guān)，此時系統(tǒng)使用固定濾波器；當用于實驗教學(xué)時閉合開關(guān)，學(xué)生自行設(shè)計濾波器以此來提高理論設(shè)計和實踐動手能力，實驗證明該方式能達到預(yù)期的目的，且對工程應(yīng)用時的精度影響很小，電路實現(xiàn)如圖3所示。

2．2 A／O轉(zhuǎn)換電路
    A／D轉(zhuǎn)換器是決定數(shù)字光功率計精度的主要因素，根據(jù)設(shè)計精度(±2％)和測量范圍(1nW～lOmW)的需要，選用16位串行高精度低功耗的A／D轉(zhuǎn)換器AD7715。該芯片是一款高檔多功能16位AD轉(zhuǎn)換器：極佳的靜態(tài)性能、16位無誤碼、±0．0015％精度和低rms噪聲(<550nV)。它只需要很少的外部元件就能構(gòu)成完整的信號采集電路，且理論上完成一次信號轉(zhuǎn)換的時間小于2ms。在實際電路應(yīng)用中，16位數(shù)字量輸出采取8位操作模式，即16位轉(zhuǎn)換數(shù)字量分兩次讀取，先讀取數(shù)據(jù)高8位，再讀取低8位。轉(zhuǎn)換開始后，當DRDY端由低電位變?yōu)楦唠娢粫r即完成一次轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)通過DOUT端傳入單片機進行數(shù)據(jù)處理與控制，單片機讀取數(shù)據(jù)結(jié)束后DRDY端恢復(fù)高電平等待下次轉(zhuǎn)換。A／D轉(zhuǎn)換電路圖如圖4。

2．3 主控及顯示電路
    主控顯示電路如圖5所示。系統(tǒng)采用STC89C516RD+單片機為主控制器，顯示單元以LCDl602A液晶顯示屏與單片機采用8位并行傳輸連接。LCDl602A的D0~~D7為8位雙向數(shù)據(jù)線，BLA背景燈電源供應(yīng)端，VL液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，電路通過一個電位器調(diào)整對比度。同時考慮到在工程實際應(yīng)用的時候，為方便工程人員使用，加上了背景燈控制開關(guān)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    系統(tǒng)軟件采用了C語言進行編程，主要有AD轉(zhuǎn)換設(shè)置、量程自動選擇設(shè)置、按鍵選擇、數(shù)據(jù)處理及顯示設(shè)置五部分組成，其程序流程圖如圖6所示。

4 硬件與軟件減小誤差方法
    電路中的噪聲是影響光功率計誤差的主要因素。為了減小誤差，系統(tǒng)把InGaAs光電二極管工作在光伏模式，降低暗電流的影響；采用性能更好的濾波器和高精度電阻減小系統(tǒng)噪聲；采用電路板屏蔽層的減小電路噪聲；利用精度高的光檢測設(shè)備和萬用表提高測試精度和修正誤差。
    由于光電二極管的光電響應(yīng)曲線實際并不是嚴格的線性關(guān)系，這樣在程序的編寫上如果把光電二極管的響應(yīng)度設(shè)置成一個常量，就會產(chǎn)生誤差。在本設(shè)計的軟件編程中，采用了“函數(shù)補償法”，用來提高光功率計的測試精度。“函數(shù)補償法”就是利用高精度的光功率計和萬用表，首先測試將要使用的光電二極管的光電響應(yīng)曲線，然后根據(jù)實際測試的情況把響應(yīng)度劃分為數(shù)段，用一個線性常量來描述總體響應(yīng)趨勢。通過數(shù)學(xué)計算，用一個非線性函數(shù)補償光電二極管的非線性響應(yīng)，使光檢測數(shù)據(jù)更加逼近實際的光電二極管的光電響應(yīng)曲線。

5 結(jié)束語
    通過實際教學(xué)和工程使用表明：該光功率計具有擴展性好、精度高、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，非常適合學(xué)生對光測試設(shè)備電路的掌握，滿足高校實驗教學(xué)對綜合性和設(shè)計性實驗的要求；同時本光功率計的設(shè)計方法和思路同樣適用于便攜式設(shè)備的設(shè)計原則，具有很高的理論參考意義和實際使用價值。