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(fā)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?，F(xiàn)今各類高等院校電子與通信類相關專業(yè)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(shù)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(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(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(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(xiàn)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(jù)光電流的大小適當?shù)卣{整放大倍數(shù)。通過單片機對多路模擬開關的控制，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(yè)測量使用時打開開關，此時系統(tǒng)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(xiàn)如圖3所示。

2．2 A／O轉換電路
    A／D轉換器是決定數(shù)字光功率計精度的主要因素，根據(jù)設計精度(±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轉換器AD7715。該芯片是一款高檔多功能16位AD轉換器：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成完整的信號采集電路，且理論上完成一次信號轉換的時間小于2ms。在實際電路應用中，16位數(shù)字量輸出采取8位操作模式，即16位轉換數(shù)字量分兩次讀取，先讀取數(shù)據(jù)高8位，再讀取低8位。轉換開始后，當DRDY端由低電位變?yōu)楦唠娢粫r即完成一次轉換，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)結束后DRDY端恢復高電平等待下次轉換。A／D轉換電路圖如圖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背景燈電源供應端，VL液晶顯示器對比度調整端，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整對比度。同時考慮到在工程實際應用的時候，為方便工程人員使用，加上了背景燈控制開關。

3 系統(tǒng)軟件設計
    系統(tǒng)軟件采用了C語言進行編程，主要有AD轉換設置、量程自動選擇設置、按鍵選擇、數(shù)據(jù)處理及顯示設置五部分組成，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曲線實際并不是嚴格的線性關系，這樣在程序的編寫上如果把光電二極管的響應度設置成一個常量，就會產(chǎn)生誤差。在本設計的軟件編程中，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曲線，然后根據(jù)實際測試的情況把響應度劃分為數(shù)段，用一個線性常量來描述總體響應趨勢。通過數(shù)學計算，用一個非線性函數(shù)補償光電二極管的非線性響應，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曲線。

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