光功率计设计.docx

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光功率计设计

专业课程设计报告

一、设计题目：

光功率计的制作

二、设计要求：

1．利用LD激光二极管作为光源，设计电路测其光功率值大小

2．用数码管显示数值

3．根据数码管显示数值，通过分析，计算光功率值

4．分析实验中存在误差，尽量的克服和消除。

5．记录实验数据，与LD激光二极管光功率真实值大小对照并分析误差等

6．书写实习报告等

三、分析设计

1：

光功率计设计分析过程：

（a）LD激光二极管发出光信号通过光电接收器（PIN）转化为电信号（电流）。

其中光功率P与电流I存在如下关系：

I=RP（R光电检测器的响应度，P为LD输出光功率值）

（b）使用LD,由于光检测器（PIN）形成的是小信号电流，所以必须设计放大电路对小信号进行放大，以达到模数转换芯片所能正常工作所需电压幅值的要求.由于此实验只用到+5v直流电压，对于直流信号只需加电阻放大即可。

（c）把此电压U的正负两端分别与数码管的31，30管脚相连，经过ICL7107A/D模数转换，用数码管将放大的电压电信号显示出来。

（d）当光信号发生变化时，数码管所显示的数值随放大电路参数的改变而成比例变化，即设计基本正确；数码管所显示的电压值就是此时输入的光功率值的代换值。

即:

P=U/（R1*R）其中R：

光电检测器响应度

2:

光功率计的设计思想:

测量光功率是光纤通信测量一个重要步骤，测量光功率有热学法和光电法和其他的特殊方法。

由于我们所学知识的限制，我们通过自己所熟悉的光电法来实现功率计的制作。

光电法就是用光电检测器检测光功率，设计中使用PIN光电二极管作为光电检测器。

实质上是测量PIN在受光辐射后产生的微弱电流，根据光功率P与PIN生成电流I的关系式;

I=RP

此电流与入射到光敏面上的光功率成正比，R为光电检测器的响应度。

检测到的电流经过I/V变换，波长矫正后，再经过A/D转换模块，把模拟的电信号转化成数字信号通过数码管显示出来。

因此，光功率计实际上是光电检测器PIN、I/V变换、A/D转换电路、数字显示电路这四个模块的结合。

3:

设计图形模块:

4：

所需器件:

LD激光二极管-------------------------1个

共阴极数码管--------------------------------4个

电路板--------------------------------1个

直流稳压电源--------------------------1个

万用表--------------------------------1个

电容0.22UF,0.47UF,100PF,0.1UF------各1个

电阻1M,100K,47K,24K,3个1K,2个7.5K,2个470ohm,2个24ohm,10ohm，240ohm,

200ohm，1k,470ohm-------各1个

导线----------------------------------若干

钳子,镊子----------------------------------1把

5：

元件参数:

PIN（型号：

PDDM981）技术指标：

光敏面直径：

60um光谱响应范围：

1.1~1.6um响应度（波长=1.3um）：

0.94A/W

工作电压：

-5V暗电流（-5V）：

〈=1nA结电容（-5V）：

〈1pF

上升时间：

〈0.5ns下降时间：

〈0.5ns工作温度：

-20~+70摄氏度

6：

模块设计:

（1）放大电路模块

1:

.直流放大电路：

此图为直流放大电路的截图，通过调节R1的值可以使电流转化为电压并放大到相应的倍数。

左侧为小信号电流输入端

右侧为放大电压电压输出端

（2）模数转换模块，利用模数转换芯片ICL7107将电信号转换成数字信号直接驱动发光二极管LED数码管显示，具体电路图如下：

ICL7107A/D部分的电路图

（3）光模块部分

（1）光源LD激光二极管

（2）光电接收模块（PIN），接受光源并使之变成小的电信号；

注:

光部分的两个模块由老师在检测时直接加上.无须自己再设计

四、实验调试结果:

1．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转化器上转化成数字信号并放大.

2．但是由于放大对直流来说仅用足值的电阻串联可一并实现电流向电压的转化，和小信号的直接放大，因此在实际的设计过程中的光功率计的决定性部分是转化为模数转换芯片的正确应用和调试。

调试过程及问题的解决

（1）芯片ICL7107需要自己熟悉其模数转化原理及各管脚的接入情况。

（2）在直流电源上自制负电源接入26脚。

（3）测试数码管的共极情况（我们用共阴极的）。

因为仿真用的数码管是共阳极的，而提供的是共阴极的，所以最终我们接了反相器，虽然插板子很麻烦但结果显示很清晰。

（4）电路连接好之后为使36脚的基准电压为100mV，需要调试两个滑动变阻器来实现。

设计用的滑动变阻器，老师提供的没有合适的，我们就自己试阻值让结果更精确。

比如，35、36管脚之间的1K的可变电阻，通过调试，我们最终确定用480ohm的电阻代替。

（5）芯片的电源地是21脚，模拟地是32脚，信号地是30脚，基准地是35脚，四脚共地，1脚接正电源，其中正负电压值输入值在5V左右。

37管脚在测试时接+5v,在正常显示时接地。

（6）在第三个数码管上把小数点接地，但是在接地的时候发现，数码管的显示变暗，于是在小数点位接地前先过一个阻值适宜的电阻即可解决，我们自己用100欧姆的。

（8）当幅值超过200mv时，由于数码管只能显示199.9mV，所以此时仅有最高位显示是1，其余都暗的。

五、设计结果

（1）检测时在电路部分加上光源和光检测器,通过直流放大部分,把转化后的电压加入A/D转换器的测试电压输入点.

（2）改变放大电路的参数（阻值）,同时观察成品光功率计对输入端光功率的检测结果和数码管显示结果.

（3）数据的纪录（使用衰减器）：

衰减（db）

功率计示数（uw）

实验数据（uw）

0

8.73

10.9

0.5

7.9

9.7

1

6.59

8.2

1.5

5.89

7.2

2

5.22

6.5

2.5

4.47

5.5

3

4.14

5.1

3.5

3.75

4.5

4

3.22

3.9

4.5

2.84

3.5

将光调小后，数码管显示随即变小，显示正确。

（4）数据分析：

显示结果与预期很接近。

实现了通过光电转化使光信号转化为电流信号；并经过放大电路把电流转化为电压并放大到AD转化芯片的工作范围；改变放大效果，显示值跟随放大值改变，设计比较精确很成功。

六、实习心得体会:

1．刚拿到题目时没一点思路，也不明白光功率计的工作原理，马上分配工作，去图书馆和网上分别开始查资料，等搜集足够的资料后进行讨论，理清了思路。

2.弄懂芯片ICL7107各管脚的功能后设计好电路，开始插板子。

3.设计电路时用的是共阳极，而提供共阴极所以插好板子示数刚好相反，为了容易读数用74LS04做了反相。

4．电路插好后开始测试，将37管脚加上+5V电压，36脚的基准电压应为100mV，可我们的误差比较大，根据各管脚的功能我们开始调35、36之间的电阻，最终确定当为480ohm时误差最小。

这一步是设计中最关键的一步。

5．本次课程设计前期准备比较麻烦，知识储备必须很丰富，搜集资料过程比较艰难，设计过程在大家的共同努力下，积极请教老师，进行的还比较顺利，后期插板子也没出什么大问题，主要在于精确度的调制。

6.光功率计的设计很成功，这次设计提高我的动手能力，丰富了我的知识储备。

七、附录

数字电压表电路ICL7107

ICL7107.7106pdf资料下载

ICL7107安装电压表头时的一些要点：

按照测量＝199.9mV来说明。

1.辨认引脚：

芯片的第一脚，是正放芯片，面对型号字符，然后，在芯片的左下方为第一脚。

也可以把芯片的缺口朝左放置，左下角也就是第一脚了。

许多厂家会在第一脚旁边打上一个小圆点作为标记。

知道了第一脚之后，按照反时针方向去走，依次是第2至第40引脚。

（1脚与40脚遥遥相对）。

2.牢记关键点的电压：

芯片第一脚是供电，正确电压是DC5V。

第36脚是基准电压，正确数值是100mV，第26引脚是负电源引脚，正确电压数值是负的，在－3V至－5V都认为正常，但是不能是正电压，也不能是零电压。

芯片第31引脚是信号输入引脚，可以输入199.9mV的电压。

在一开始，可以把它接地，造成“0”信号输入，以方便测试。

3.注意芯片27,28,29引脚的元件数值，它们是0.22uF,47K,0.47uF阻容网络，这三个元件属于芯片工作的积分网络，不能使用磁片电容。

芯片的33和34脚接的104电容也不能使用磁片电容。

4.注意接地引脚：

芯片的电源地是21脚，模拟地是32脚，信号地是30脚，基准地是35脚，通常使用情况下，这4个引脚都接地，在一些有特殊要求的应用中（例如测量电阻或者比例测量），30脚或35脚就可能不接地而是按照需要接到其他电压上。

－－本文不讨论特殊要求应用。

5.负电压产生电路：

负电压电源可以从电路外部直接使用7905等芯片来提供，但是这要求供电需要正负电源，通常采用简单方法，利用一个+5V供电就可以解决问题。

比较常用的方法是利用ICL7660或者NE555等电路来得到，这样需要增加硬件成本。

我们常用一只NPN三极管，两只电阻，一个电感来进行信号放大，把芯片38脚的振荡信号串接一个20K－56K的电阻连接到三极管“B”极，在三极管“C”极串接一个电阻（为了保护）和一个电感（提高交流放大倍数），在正常工作时，三极管的“C”极电压为2.4V－2.8V为最好。

这样，在三极管的“C”极有放大的交流信号，把这个信号通过2只4u7电容和2支1N4148二极管，构成倍压整流电路，可以得到负电压供给ICL7107的26脚使用。

这个电压，最好是在－3.2V到－4.2V之间。

6.如果上面的所有连接和电压数值都是正常的，也没有“短路”或者“开路”故障，那么，电路就应该可以正常工作了。

利用一个电位器和指针万用表的电阻X1档，我们可以分别调整出50mV,100mV,190mV三种电压来，把它们依次输入到ICL7107的第31脚，数码管应该对应分别显示50.0,100.0,190.0的数值，允许有2－3个字的误差。

如果差别太大，可以微调一下36脚的电压。

7.比例读数：

把31脚与36脚短路，就是把基准电压作为信号输入到芯片的信号端，这时候，数码管显示的数值最好是100.0，通常在99.7－100.3之间，越接近100.0越好。

这个测试是看看芯片的比例读数转换情况，与基准电压具体是多少mV无关，也无法在外部进行调整这个读数。

如果差的太多，就需要更换芯片了。

8.ICL7107也经常使用在1.999V量程，这时候，芯片27,28,29引脚的元件数值，更换为0.22uF,470K,0.047uF阻容网络，并且把36脚基准调整到1.000V就可以使用在1.999V量程了。

9.这种数字电压表头，被广泛应用在许多测量场合，它是进行模拟－数字转换的最基本，最简单而又最低价位的一个方法，是作为数字化测量的一种最基本的技能。

.....

ICL7107是一块应用非常广泛的集成电路。

它包含31/2位数字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。

这里我们介绍一种她的典型应用电路--数字电压表的制作。

其电路如附图。

制作时，数字显示用的数码管为共阳型，2K可调电阻最好选用多圈电阻，分压电阻选用误差较小的金属膜电阻，其它器件选用正品即可。

该电路稍加改造，还可演变出很多电路，如数显电流表、数显温度计等.