在光纤通信领域中, 光功率检测是光的最基本的测量技术之一。手持光功率计是在光纤系统施工和维护中的常用仪器。
在手持光功率计中, 不确定度与功耗是两个重要参数。目前市场上大多数采用常规放大器进行信号放大, 单片机进行数据处理, 采用这种设计的光功率计动态范围小, 并存在换档误差, 不确定度较大, 软硬件较复杂, 功耗较高。为此基于对数放大器的低功耗手持光功率计选用对数放大器进行信号放大, 并使用低功耗MSP430单片机进行数据处理这一方案。
1 工作原理
基于对数放大器的低功耗手持光功率计的工作原理如图1所示, 被测光经过光探测器转变为光电流, 再经过对数放大器, 得到对数关系的电压值, 然后将该值送入A/D进行转换, 就可得到表示功率大小的数字量, 由MSP430单片机进行数据处理后, 将该数据送入LCD显示。
2 硬件设计与实现
2.1 光电探测器
光电探测器是将光信号转换成电信号, 转换出来的光电流大小与光信号的强度成正比。基于对数放大器的低功耗手持光功率计采用InGaAs-PIN光电二极管, 该光电二极管的光响应度为0.85A/W, 波长范围为1100nm～1700nm。
2.2 对数放大器
光功率是光在单位时间内所做的功。光功率单位常用毫瓦 (mw) 和分贝 (db) 表示。其中两者的关系为:1mw=0db, 而小于1mw的分贝为负值, 计算方法如公式1所示。
由公式 (1) 可以得知, 功率值P与W成对数关系, 因此如果采用普通放大器, 将要在处理器中进行繁琐的对数运算。
对数放大器输入与输出成对数关系, 提高了输入信号的动态范围。基于对数放大器的低功耗手持光功率计采用TI公司生产的高精度对数放大器LOG114。LOG114提供8个数量级的动态范围 (相当于27位, 100pA至10mA的输入范围) 和通过完整测试的对数功能, 无需外部组件配合。
2.3 单片机控制系统
MSP430系列单片机是美国德州仪器公司推出的16位超低功耗、高性能的产品。它具有处理能力强、运行速度快、资源丰富、开发方便等优点, 有很高的性价比。低功耗手持光功率计使用外部振荡源 (低速晶体32768Hz) 提供时钟信号。
A/D转换部分采用MSP4 30单片机的A/D模块进行A/D转换, 该A/D模块是具有采样保持的12位200kbps的A/D转换器。整机的主要功耗集中在MSP430上, 而MSP430本身功耗极低, 从而使得整机的功耗极低。
3 系统软件设计
由于采用对数放大器, 大大简化了软件的程序量。只需要对A/D进行采集后数据处理后送入显示即可。
由于光电二极管的噪声和A/D采样误差都会对最后的功率值带来一定的干扰。为了减少这些干扰, 除了在硬件上使用低通滤波以外, 在软件也采用滑动滤波减少干扰。
先在RAM建立一个数据缓冲区, 依顺序存放N个采样数据, 每采样一个新的数据, 就将最早一次数据丢掉, 而后求包括新数据在内的N个数据的算术平均值。如公式2所示。
通过软件滤波处理, 一定程度上减少了数据误差。
4 实测数据
使用高精度光功率计作为标准仪表, 依据JJG965-2001通信用光功率计检定规程来对基于对数放大器的低功耗手持光功率计进行测试。测试数据如表1所示。
通过数据表明, 基于对数放大器的低功耗手持光功率计的测量不确定度为0.12dB, 线性度扩展测量不确定度为0.13dB。
同时, 对基于对数放大器的低功耗手持光功率计进行功耗测试:在不开背光灯情况下, 电流小于10m A, 整机功耗小于30mW, 达到进口仪表的水平。
5 结语
测试数据表明, 采用对数放大器放大与MSP430单片机作为主控芯片的低功耗手持光功率计, 具有不确定度小、功耗低、成本低等优点, 达到进口仪表的水平, 可满足光通信施工部门的施工检测与维护需求, 具有广阔的市场前景。
摘要：手持光功率计是在光纤系统施工和维护中的常用仪器, 不确定度与功耗是其两个重要参数。基于对数放大器的低功耗手持光功率计采用对数放大器进行信号放大, 并使用低功耗MSP430单片机进行数据处理。具有不确定度小、功耗低、成本低等优点, 基本达到进口仪表的水平, 可满足光通信施工部门的施工检测与维护需求, 具有广阔的市场前景。
关键词：对数放大器,低功耗,MSP430,光功率计
参考文献
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