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摘要：本课题设计的光功率计主要用于对He-Ne激光的检测，设计出简单实用的光功率计，从而掌握光电接收，信号调理，模数转换，数字显示等典型的光电检测环节的设计。
关键词：功率计；数字显示
光功率计作为一种测量光信号功率的精密仪器，被称为光学中的万用表，在当代高速发展的光纤通信工程及其相关科学实验和教学中起着重要作用[1]。它即可用在各类科研实验中测量光功率，判断光信号的传输衰减与损耗，也可用于光纤通信工程中对光信号传输进行检测与判断。
本课题设计的光功率计主要用于对He-Ne激光的检测，综合运用光电检测技术，设计简单实用的光功率计。
1 实验平台
本设计在参考光功率计原理的理论基础上设计一数字光功率计，其工作涉及器件的选型，主要电路的设计，以及各个模块之间的通信程序。
光功率计主要用于测量光信号的强弱。传输过来的光信号投射在光探测器的光敏面上将其转变为电流，在经过信号调理、模数转换[2]、数字显示等典型的光电检测环节设计，最后将光功率通过数字的形式显示出来。
数字式光功率计的基本工作原理如下图所示，它首先把传输过来的He-Ne激光投射在光电二极管光探测器的光敏面上将其转变为电流。根据光功率P与光电二极管生成的电流I的关系是： 。此电流与入射到光电二极管上的光功率成正比，R为光电检测器的响应度。检测到的电流经过I/V变换[3]电路和放大电路得到电压信号。然后把这个信号传送到低通滤波器进行滤波及响应度补偿放大，以得到与功率值相对应的直流电压，之后再将该电压经A/D转换，以得到表示功率大小的数字量，最后再通过数码管显示出来，所以光功率计实际上是光电检测器件光电二极管, I/V变换,A/D转换电路，数字显示[4]这些模块的结合。
1.1光电接收模块
光探测器感受入射于其上的光功率，并把这种光功率的变化转换成作相应变化的电流。而Si作为PIN管的一种，光谱范围为400~1100nm，其峰值波长为880~900nm，硅光电二极管是一个大面积的光电二极管，它被设计用于把射到它表面的光转化为电能，当它照射时会流过与光量成正比的光电流。本次设计上，基于暗电流、上升时间、带宽、偏置电压等综合考虑，我们最终采用Si光电二极管。
1.2 I/V变换与放大模块
I/V变换是指将电流信号转换为电压信号[5]，通常将被转换的电流通过一只精度较高、热稳定性较高的电阻，则根据欧姆定理，电阻上的压降就是转换结果。同时I/V变换部分利用运算放大器进行对输入信号的放大。I/V变换是将输入电流信号转变为电压信号，然后由运算放大器实现电压放大[6]，从而完成电流到电压的转换。
本课题选用放大器型号为LM324。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。
1.3 A/D变换模块
ICL7107是高性能、低功耗的A/D转换器，有七段译码器、显示驱动器。ICL7107是一块应用非常广泛的集成电路。它包含三位半数字A/D转换器，可直接驱动LED数码管，内部设有参考电压、独立模拟开关、逻辑控制、显示驱动、自动调零功能等。
1.4显示模块
本次设计选用4个单个数码管[7]。
2 实验结果
2.1实验原理及设计电路图
此次设计的基本工作原理：首先把传输过来的He-Ne激光投射在光电二极管光探测器的光敏面上将其转变为电流。根据光功率P与光电二极管生成的电流I的关系是：I=RP。此电流与入射到光电二极管上的光功率成正比，R为光电检测器的响应度。检测到的电流经过 I/V 变换电路和放大电路得到电压信号。然后把这个信号传送到滤波器进行滤波及响应度补偿放大，以得到与功率值相对应的电压，之后再将该电压经A/D 转换器ICL7107 转换，以得到表示功率大小的数字量，最后再通过四个LED数码管显示出来。
2.2调试和校准
功率计的核心是对检测电流经转化后电压的放大，使之适合在A/D转换其上转换成数字信号并放大。改变集成运算放大器的外围电阻来改变电压的放大倍数，从而改变了数码管的显示数值。
当在一定的光照下和数码管显示的数据跟标准的功率电压相对应的时候就表示制作的成品合格。
3实验结论
总之，光功率计原理的实现过程是:被测光投射到PIN光探测器上变为电流，再经I/V变换电路和程控放大电路得到电压信号。经A/D转换得到表示功率大小的数字量。
光功率计最主要性能指标是灵敏度和动态范围。灵敏度和误码率密切相关，主要取决于光检测器的性能和相关电路的设计。在设计过程中要注意选择光检测器，是实现光/电转换的关键器件，其性能特别是响应度和噪声直接影响光功率计的灵敏度。
参考文献
[1]耿涛，张超凡，李祥峰.基于AD7715的可扩展型高精度数字光功率计[J].电子技术，2009，(03).
[2]孟波，沈晓菲，李兵兵.对数比放大电路在精密光功率计中的应用[J].电光与控制，2008，(10).
[3]Wei Xiaoru，ranking the Jian，ZHU Ya . With silicon photovoltaic cells produce power meter test [J]. Physics experiment，2007，(01).
[4]刘京诚，朱木健，高海英.基于MSP430F149的光功率计设计[J].中国仪器仪表，2006，(06).
[5]祖晓明，王红茹，赵长有.精密光纤功率计的设计[J].哈尔滨工业大学学报，2003，35(3)：291-292.
[6]顾兴志，稳定光源与功率计的研制[D]，中国优秀博硕士学问论文全文数据库（硕士），2004，（01）.
[7]王祥永.交/直流两用光功率计的设计[J].安徽电子信息职业技术学院学报，2008，(02)
论文作者:王耀伟,高立,张星
论文发表刊物:《防护工程》2017年第23期
论文发表时间:2018/1/5
标签：功率论文; 电流论文; 电压论文; 信号论文; 电路论文; 数字论文; 光电论文; 《防护工程》2017年第23期论文;