《光电系统设计》课程设计
专 业：
学 号：姓 名：指导老师：时 间：
电子科学技术
201111911118 刘维光 汤照
2014年12月14日
一、设计题目
单波长光纤光功率计的设计
二、设计要求
要求掌握所选题目的基本设计原理、设计基本原则与设计方法。自行拟定
系统的工作波长、量程、精度、功耗等主要性能指标，给出具体设计方案以及计量标定方法。在规定的时间内独立完成设计报告，设计报告书应对设计内容、系统工作原理、设计原则、可采用的基本方案以及最终的设计方案与设计图作出较完整的论述与总结。
三、 设计内容
1、光纤光功率计总体设计原理
光功率计主要用于测量光信号的强弱，光探头就是光敏感面面积较大（直径为1.10mm）的半导体PIN光电二极管，加上I层的PN结二极管可以提高探测灵敏度和响应速度。系统的设计框图如图所示。微光信号入射到光电探测器件上，通过光电转换将光功率转换为相应的光电流，经I-V转换为电压，再根据电压的大小设置增益，进行功率放大及去噪处理，也就是模拟信号处理以后，由A/D转换为相应大小的数字信号，经单片机处理后分别送寄存器和LCD显示器。
键盘可对单片机进行控制，同时单片机对A/D的输出信号自动判别，控制程控量程变换器来选择不同的放大增益，以选择合适的量程，实现自动换挡，得到合适的电压值，该电压值送入A/D转换器将模拟信号转换成数字信号，以便单片机进行处理。在进行处理时需对光电二极管波长灵敏度进行修正，最后，输出以W或dB为单位的数据。
2、 光电探头模块（含电源和放大电路）电路板的设计
光功率计探头（光电转换）：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 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。我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。光电探头的选择：光电二极管： 选用InGaAsPIN光电二极管，InGaAsPIN光电探测器：可测量波长范围：900nm-1700nm，具有高质量窗口以及光纤封装，典型应用于光功率表，人眼安全激光通信，仪表等。它的一些参数如下表：
I/V变换放大：由于光电转换所输出的电流都非常小（一般小于100mA），是由二极管的参数决定的，光电二极管相当于一个恒流源。电流信号与电压信号相比，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，为了方便后续对信息的采集，需要把电流转换成为电压。。本次设计使用LM358N芯片连接I/U变换电路和放大电路。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，如下图所示：
由运放组成的0－10mA/0－5V的I/V变换电路
在图中，运放A1的放大倍数为A＝(R1+Rf)/R1,若R1＝100kΩ，Rf＝150kΩ，则A＝2.5；若R4＝200Ω，对于0－10mA的电流输入信号，将在R4上产生0－2V的电压信号，由A＝2.5可知，0－10mA的输入电流对应0－5V的输出电压信号。
图中电流输入信号Ii是从运放A1的同相输入端输入的，因此要求选用具有较高共模抑制比的运算放大器，例如，OP-07、OP-27等，本次设计采用OP07. 可控增益放大电路：I/V变换以后输出的信号很微弱，大概是毫伏的量级，要对信号后期处理，首先要进行放大。本次实验要求的精度不是很大，所以只设计一级放大，在结构上要求紧凑、靠近探测器件，良好的接地与屏蔽。低噪声前置
放大器的设计，同一般放大器设计的根本区别是首先满足放大器的噪声指标，因此要考虑器件的选取和低噪声工作点的确立，还要满足信号源阻抗与放大器间的噪声匹配；其次要考虑电路的组态、级联方式及负反馈等以满足对放大器增益、频响、输入输出阻抗等方面的要求。
3、A/D转换电路及显示
ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。
图1.3 ADC0809的管脚图
AT89C51单片机是Atmel公司的生产的一种低功耗/低电压、高性能的8位单片机，内部除CPU外，还包括128字节RAM，4个8位并行I/O口，5个中断优先级，2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器，
片内集成4K字节可改变程序Flash存储器，具有低功耗，速度快，程序擦写方便等优点，完全满足本系统设计需要。
单片机P0口作为ADC0804转换数据的输入端，P3.0接ADC0809的EOC端检测数据转换是否结束。P0.0～P0.3则作为４个数码管的位选信号控制。P3口有特殊的功能，P3.1用于控制ADC0804的启动，P2用于控制读取ADC0804的转换结果。
图1.4 89c51单片机连接图
本次设计中使用八通道的IN0，将A,B,C（25 24 23）管脚直接接地固定选择IN0， ALE与ST管脚连通，接单片机P3.4（14）脚，EOC接P3.3(13)脚，OE接P3.5，CLK时钟为1MHZ，由单片机ALE二分频得到，二分频电路详见后文讲解。VREF+接VCC，VREF-接GND，引出八根数据脚接P1口，由此完成硬件连接。