基于AD7715的可擴展型高精度數字光功率計

0 引言
光功率計作為一種測量光信號功率的精密儀器，被稱為光學中的萬用表，在當代高速發展的光纖通信工程及其相關科學實驗和教學中起著重要作用。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。現今各類高等院校電子與通信類相關專業都開設了《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的光功率計，學生在使用的過程中缺乏對該儀器原理及其構造的了解。本文所介紹的數字光功率計技術先進，不僅可用于實驗室教學對光功率進行測試，又可直接針對光功率計的相關電路進行測試以及對部分電路進行重新設計驗證，從而讓學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用時對光功率計性價比、測量精度、使用穩定性、操作靈活性、體積等方面要求，充分利用有限資源實現一機多用的目的。

1 系統硬件設計原理圖
硬件電路主要由光信號采集放大模塊、A／D轉換模塊、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，實現大信號小放大、小信號大放大；為了增加測試精度而選用16位的模數轉換器AD7715作為AD轉換芯片。

2 主要電路模塊設計
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轉換、濾波和自動量程轉換控制。由于光電檢測器轉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小信號得不到有效放大而降低A／D轉換的精度。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，這就要求根據光電流的大小適當地調整放大倍數。通過單片機對多路模擬開關的控制，實現自動量程選擇，電路如圖2。

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

2．2 A／O轉換電路