基于AD7715的可扩展型高精度数字光功率计

0 引言
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。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。现今各类高等院校电子与通信类相关专业都开设了《光纤通信》课程，所以光功率计是一种必不可少的实验仪器。由于目前市场上没有专门用于实验室教学的光功率计，学生在使用的过程中缺乏对该仪器原理及其构造的了解。本文所介绍的数字光功率计技术先进，不仅可用于实验室教学对光功率进行测试，又可直接针对光功率计的相关电路进行测试以及对部分电路进行重新设计验证，从而让学生在了解光功率计的工作原理的过程中提高实际动手能力。同时也能满足光纤工程应用时对光功率计性价比、测量精度、使用稳定性、操作灵活性、体积等方面要求，充分利用有限资源实现一机多用的目的。

1 系统硬件设计原理图
硬件电路主要由光信号采集放大模块、A／D转换模块、主控制模块、显示模块及其他电路模块共五大模块组成，其原理框图如图l所示。为了增加仪器的测试范围，在I／V电路中增加了由MCU控制的多路开关，实现大信号小放大、小信号大放大；为了增加测试精度而选用16位的模数转换器AD7715作为AD转换芯片。

2 主要电路模块设计
2．1 光信号采集电路与滤波
为了减小光电二极管的暗电流噪声，光电二极管工作在光伏模式。系统中的光信号采集电路采用四路集成运放对PIN探测器扑捉到的电信号进行放大、I／V转换、滤波和自动量程转换控制。由于光电检测器转换的光电流很小且变化范围较大，当放大器增益固定时会出现小信号得不到有效放大而降低A／D转换的精度。同时AD7715的模拟输入端要求的电压输入必须限定在0~5V的范围，这就要求根据光电流的大小适当地调整放大倍数。通过单片机对多路模拟开关的控制，实现自动量程选择，电路如图2。

滤波电路使用的是相关设计软件所设计的巴特沃斯有源低通滤波器，该电路为可扩展性电路：由一刀双掷开关控制。当用于工业测量使用时打开开关，此时系统使用固定滤波器；当用于实验教学时闭合开关，学生自行设计滤波器以此来提高理论设计和实践动手能力，实验证明该方式能达到预期的目的，且对工程应用时的精度影响很小，电路实现如图3所示。

2．2 A／O转换电路