基于對(duì)數(shù)放大電路的激光光功率測(cè)量實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)＊

胡崢，邵莉芬，王玉珠，金張，高帆

基于對(duì)數(shù)放大電路的激光光功率測(cè)量實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)＊

胡崢1，邵莉芬1，王玉珠2，金張2，高帆3

（1.武漢市儀表電子學(xué)校，湖北 武漢 430205；2.武漢優(yōu)科瑞特信息技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430000； 3.安陽(yáng)市中等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，河南 安陽(yáng) 455000）

隨著對(duì)數(shù)放大技術(shù)廣泛應(yīng)用于光功率測(cè)量，基于對(duì)數(shù)放大技術(shù)測(cè)量光功率是中職光電相關(guān)專業(yè)學(xué)生需要掌握的專業(yè)技能。從教學(xué)實(shí)際出發(fā)，基于對(duì)數(shù)放大器LOG112和MCU8051F020單片機(jī)設(shè)計(jì)了激光光功率測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置硬件電路簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高，價(jià)格低廉，集演示性、設(shè)計(jì)性、綜合性、驗(yàn)證性于一體。教學(xué)實(shí)踐表明，學(xué)生能夠充分地認(rèn)識(shí)和較好地掌握光學(xué)技術(shù)原理和應(yīng)用。

實(shí)驗(yàn)裝置；光電二級(jí)管；光功率；對(duì)數(shù)放大

1 引言

光電產(chǎn)業(yè)是適應(yīng)未來(lái)社會(huì)發(fā)展的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)[1]。目前，作為信息和能量載體的光電子，在信息的光顯示、光存儲(chǔ)和激光上，已形成了新興的光電子工業(yè)，對(duì)各個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會(huì)變革、國(guó)家安全乃至整個(gè)社會(huì)發(fā)展起著難以估量的關(guān)鍵作用。中等職業(yè)學(xué)校光電相關(guān)專業(yè)致力于開展光電技術(shù)領(lǐng)域從事生產(chǎn)、設(shè)備裝配調(diào)試與維護(hù)、檢測(cè)、生產(chǎn)管理等工作，培養(yǎng)學(xué)生成為未來(lái)職業(yè)生涯發(fā)展的高素質(zhì)技能型人才[2]。光功率測(cè)量是光電技術(shù)中最基本的測(cè)試技術(shù)之一，是學(xué)生需要掌握的專業(yè)知識(shí)和技能。傳統(tǒng)的光功率測(cè)量是采用光電探測(cè)器將輸入光信號(hào)功率轉(zhuǎn)換為成正比的電信號(hào)，經(jīng)過(guò)I/V變換和程控開關(guān)選擇不同電阻來(lái)切換量程，這種光功率測(cè)量方法軟硬件復(fù)雜、動(dòng)態(tài)范圍小，需要高精密電阻作為增益放大，換擋誤差大[3]。隨著對(duì)數(shù)放大技術(shù)的迅速發(fā)展，寬帶對(duì)數(shù)放大器使得信號(hào)處理電路變得簡(jiǎn)單易行。對(duì)數(shù)放大技術(shù)可以在很寬的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)保持很高的精度，已廣泛用于光功率測(cè)量領(lǐng)域[4]，因此，讓學(xué)生掌握對(duì)數(shù)放大技術(shù)測(cè)量光功率的方法十分必要。本文基于TI公司對(duì)數(shù)比放大器LOG112，開發(fā)了激光光功率測(cè)量的實(shí)驗(yàn)裝置，該實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單，集演示性、設(shè)計(jì)性、綜合性、驗(yàn)證性于一體，使學(xué)生能夠充分地認(rèn)識(shí)和較好地掌握光學(xué)技術(shù)原理和應(yīng)用，具有測(cè)量精度高，價(jià)格低廉，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔、形象直觀的特點(diǎn)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及原理

系統(tǒng)由PIN光電二極器、對(duì)數(shù)放大器、WIFI通訊模塊、微處理器和按鍵顯示模塊組成，如圖1所示。光信號(hào)入射到光電探測(cè)器PIN上后，入射光功率與產(chǎn)生的光電流i成正比，經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)放大器處理后起輸出電壓與輸入光功率成正比，由微處理內(nèi)置的A/D模塊轉(zhuǎn)換后，微處理器計(jì)算校準(zhǔn)后將結(jié)果在LCD顯示器上顯示。其間，鍵盤可對(duì)微處理器進(jìn)行控制，同時(shí)微處理器器對(duì)A/D的輸出信號(hào)自動(dòng)判別，通過(guò)Wi-Fi通訊模塊可將測(cè)量值上傳至PC端軟件顯示處理。

圖1 光功率測(cè)量系統(tǒng)示意圖

光電探測(cè)器采用PIN光電二極管。PIN光電二極管由高摻雜P型和N型半導(dǎo)體組成，在兩個(gè)材料之間生長(zhǎng)一層本征半導(dǎo)體材料或低摻雜半導(dǎo)體材料，稱為I層，高摻雜的P區(qū)和N區(qū)非常薄，使得光子在耗盡區(qū)內(nèi)能夠被充分吸收，以利于提高量子效率和響應(yīng)速度。因此，PIN光電二極管具有體積小、低溫漂、低反向偏壓、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。

本系統(tǒng)采用TI公司精密對(duì)數(shù)和對(duì)數(shù)比放大器LOG112，它是電流型輸入，與光電倍增管、光電二極管等可直接連接。LOG112由對(duì)數(shù)運(yùn)算電路復(fù)合而成，而且整個(gè)電路進(jìn)行溫度補(bǔ)償。其工作電壓在4.5～18 V，輸入電流不能大于3.5 mA。

PIN光電二極管的輸出電流可以經(jīng)1、2任意一路輸入，一般用1為轉(zhuǎn)換電流的輸入，2為基準(zhǔn)電流的輸入，電路圖如圖2所示，對(duì)數(shù)放大后的輸出電壓值如下：

經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)放大后的電壓值和輸入光功率值呈線性關(guān)系，A/D轉(zhuǎn)換也是線性變換，所以可以直接利用AD轉(zhuǎn)換值來(lái)計(jì)算光功率，則測(cè)量光功率為：

=+（1）

微處理器選用Cygnal公司的MCU8051F020單片機(jī)，該單片機(jī)是一款高性能的數(shù)字/模擬混合微處理器，該芯片內(nèi)置12位精度的A/D轉(zhuǎn)換器，可直接利用集成的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，滿足功率測(cè)量對(duì)ADC的要求。使用該芯片可省去時(shí)鐘芯片、液晶驅(qū)動(dòng)芯片、A/D轉(zhuǎn)換芯片，使系統(tǒng)外圍電路簡(jiǎn)潔、容易布板,也提高了整機(jī)的可靠性。 MCU8051F020芯片將信號(hào)發(fā)送給Wi-Fi通訊模塊，Wi-Fi通訊模塊與上位機(jī)通信，可以實(shí)現(xiàn)功率測(cè)量系統(tǒng)與上位機(jī)的信息通訊。電源模塊負(fù)責(zé)向整個(gè)系統(tǒng)供電[5]。

圖2 對(duì)數(shù)放大電路示意圖

3 教學(xué)設(shè)計(jì)考慮

實(shí)驗(yàn)電路面板直觀顯示電路原理圖，實(shí)際的元器件放置于電路板背面，所有支路節(jié)點(diǎn)均預(yù)留測(cè)試接口，方便學(xué)生用表或數(shù)字示波器等儀器測(cè)量電路各節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)電壓、信號(hào)頻率和波形質(zhì)量等數(shù)據(jù)，操作靈活。

對(duì)數(shù)放大電路輸出端預(yù)留測(cè)試接口，PIN光電二極管與對(duì)數(shù)放大電路之間以接口形式連接，可以讓學(xué)生驗(yàn)證不同材料PIN光電二級(jí)管對(duì)激光波長(zhǎng)的響應(yīng)度，學(xué)生可以將Ge和Si的PIN光敏二極管分別接入對(duì)數(shù)放大電路的輸入端，測(cè)試對(duì)數(shù)放大電路輸出值，從而驗(yàn)證不同材料的光電二極管的響應(yīng)度。

改變?nèi)肷浼す夤β剩瑢W(xué)生可通過(guò)對(duì)數(shù)放大電路輸出端測(cè)試接口測(cè)試輸出電壓的變化，從而觀察到不同的光功率引起對(duì)數(shù)放大器輸出電壓的變化。

4 光功率測(cè)量校準(zhǔn)與應(yīng)用

用標(biāo)準(zhǔn)光功率計(jì)測(cè)出激光輸出平均功率，選用Newport公司的1936-C型功率計(jì)。改變激光器輸出功率，利用微處理器測(cè)量對(duì)應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換值，采用最小二乘法擬合可得式（1）中和值。

實(shí)驗(yàn)用808 nm半導(dǎo)體泵浦Nd3+，以YVO4激光器為研究對(duì)象，產(chǎn)生1 064 nm激光，在諧振腔中插入KTP倍頻晶體產(chǎn)生532 nm倍頻光。激光功率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。激光輸出功率與泵浦光源電流關(guān)系如圖3所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果滿足該激光輸出光特性。

表1 激光功率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

I/A0.1010.1120.1250.1440.1630.1720.1830.1990.2270.255 P/μW1.36.912.522.933.439.747.658.579.696.5

5 總結(jié)

針對(duì)光功率測(cè)量的實(shí)驗(yàn)要求，基于TI公司對(duì)數(shù)比放大器LOG112，開發(fā)了激光光功率測(cè)量的實(shí)驗(yàn)裝置，PIN光電二極管采集光信號(hào)后，直接將電流信號(hào)輸入LOG112對(duì)數(shù)放大器進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換和放大，通過(guò)微處理器計(jì)算校準(zhǔn)得到對(duì)應(yīng)的光功率值。該裝置硬件設(shè)計(jì)十分簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高，教學(xué)性強(qiáng)，可以滿足光電相關(guān)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要，有利于提高學(xué)生的專業(yè)技能，促進(jìn)學(xué)生充分地認(rèn)識(shí)和較好地掌握光學(xué)技術(shù)原理和應(yīng)用。

［1］曹方，王凡.如何系統(tǒng)提升我國(guó)光電產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新能力［J］.科技中國(guó)，2019（7）：54-57.

［2］張長(zhǎng)春.中職光電專業(yè)學(xué)生職業(yè)核心素養(yǎng)評(píng)價(jià)體系的實(shí)踐研究［J］.職業(yè)，2019，500（1）：63-65.

［3］孟波，沈曉菲，李兵兵.對(duì)數(shù)比放大電路在精密光功率計(jì)中的應(yīng)用［J］.電光與控制，2008，15（10）：78-80.

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TN248.4

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.19.013

2095－6835（2019）19－0035－02

胡崢（1966—），女，講師，主要研究方向?yàn)殡娮訙y(cè)量。

王玉珠（1987—），女，工程師，主要研究方向?yàn)榧す饧夹g(shù)。

湖北名師工作室項(xiàng)目

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕