湖北汽車工業(yè)學院畢業(yè)設計論文開題報告.docx

湖北汽車工業(yè)學院Hubei University of Automotive Technology畢 業(yè) 設 計 開 題 報 告題 目基于PIN光電二極管的光功率計設計班號T1103-2專業(yè)光電信息科學與工程學號20110030223學生姓名王慶平指導教師曾維友一、課題來源、目的和意義光功率計是檢測光信號功率大小的一種儀器,是光測試儀器中常用基礎設備,廣泛應用于光纖通信、生物醫(yī)學等高新技術領域。光功率計用于測量絕對光功率或通過一段光纖的光功率相對損耗的儀器。在光纖系統(tǒng)中，測量光功率是最基本的，非常像電子學中的萬用表；在光纖測量中，光功率計是重負荷常用表。通過測量發(fā)射端機或光網絡的絕對功率，一臺光功率計就能夠評價光端設備的性能。用光功率計與穩(wěn)定光源組合使用，則能夠測量連接損耗、檢驗連續(xù)性，并幫助評估光纖鏈路傳輸質量。目前,國內所開發(fā)的光功率計所采用的光電探測器主要有光電倍增管和光電池,采用光電倍增管的光功率計,工作電壓高、環(huán)境因素影響大,而采用光電池的光功率計由于受到暗電流的影響,誤差較大。顯然,對于現(xiàn)場工程應用,采用以上兩種光電探測器的光功率計存在明顯的缺點。隨著近幾年PIN光電二極管等新型光電探測器的廣泛研究及開發(fā),其在對光信號的檢測上,不僅檢測精度有所提高,而且受工作環(huán)境因素影響較小,所以在設計中以PIN光電二極管作為光電探測器,需要設計了一款針對現(xiàn)場工程應用的光功率計。PIN 光電二極管由于材料不同,響應波長也有所不同,可根據(jù)被測光信號的波長來選擇相應材料的 PIN 光電二極管,對 Si-PIN 光電二極管, 由其各個參數(shù)可知,可作為可見光及近紅外激光的光電探測器,對 Ge-PIN 光電二極管,由其響應應時間短,可作為紅外波段,大功率高速光信號的檢測;對InGaAs-PIN 光電二極管,由其響應度高,相應時間短,可作為高速光探測器用于紅外波段的微弱光信號的檢測。要測得準確的光功率值,需獲得PIN光電二極管的光譜響應度值和光生電流值,對PIN光電二極管的光電轉換過程進行分析計算，PIN光電二極管的光生電流可經電流/電壓變換,轉換成電壓值,通過對電壓值的測量來獲得PIN光電二極管的光生電流值。在這種光功率計的設計上,首先,采用了對數(shù)放大器進行電流/電壓變換及放大;然后,為了滿足后續(xù)A/D轉換精度的要求,設計了相應的電壓信號調理電路;接著是單片機核心器件,搭建了硬件系統(tǒng),并完成了系統(tǒng)軟件的編寫，最后通過LED顯示出來所測試的光功率的數(shù)值。二、國內外技術歷史發(fā)展及現(xiàn)狀在光纖傳輸系統(tǒng)中，有源及無源部件如發(fā)射機光接收機、光接頭、光耦合器、光隔離器等的接入對系統(tǒng)的傳輸特性都有相當大的影響，為了使系統(tǒng)達到應有的傳輸指標，必須對光纜、部件以及全系統(tǒng)進行一系列的檢驗和測量。例如，就拿光纖來說，在鋪設前后都必須作檢驗，檢查一下是否有斷裂處，測量一下衰減變化。對于各個部件而言，這些電源在安裝進光纖系統(tǒng)后都會產生插入損耗量而引起系統(tǒng)指標的改變。因此，應進行插入功率損耗等參數(shù)的測量。當然，更重要的還有全球系統(tǒng)指標功率、功率衰減及信噪比等傳輸特性的測量。據(jù)預測，在領導下一代通信測試的各類測試儀器中，光測試儀器成為最有潛力的儀器之一，光功率計正是諸多亟待開發(fā)的光纖系統(tǒng)測量儀器中的常用的、重要的基礎設備。它是光通信和光纖傳感等一些高新技術領域中測試光功率、光衰減量必不可少的常用測量儀表、隨著我國光纖應用技術的迅速發(fā)展，光功率計的需求量與日俱增，特別是用于工程施工現(xiàn)場的便于攜帶、操作簡便、性能穩(wěn)定的光功率計。八一五期間以來，我國光纖通信已進入迅速發(fā)展階段，而近兩三年來，全國各省、市的有線電視系統(tǒng)又紛紛步入光纖傳輸。因此光纖系統(tǒng)已擔負起通信和廣播電視兩大信息傳遞認為。光纖通信的驚人發(fā)展，要求光纖測量技術和光纖測量儀器也必須同步發(fā)展起來。目前國內所需的光功率計大多依靠進口，國外光功率計價格普遍偏高，所需配件品種多，使用操作也比較復雜；而國內同類測試儀器存在價格高而且測量精度偏低的不足。隨著電子技術的迅速發(fā)展特別是單片機的出現(xiàn)和廣泛應用，正在引起測量控制儀表領域的一場新的技術革命，測量儀器的智能化已成為現(xiàn)代儀器儀表發(fā)展的主要方向。智能光功率計是指含有微型計算機或者微處理器，能對測量結果進行存儲、運算處理處理及儀器本身能夠按照人工預先設置進行自動操作的具有智能特性的光功率計測量儀器，它可廣泛的應用于光通信、光學實驗、激光醫(yī)學、軍事偽裝及成像系統(tǒng)等方面。正如“任何科學領域的進步都依賴于對被研究對象做出精確測量”一樣，光纖技術的進步也完全符合這一規(guī)律，光測量儀器行業(yè)正面臨著一個新的、廣闊的市場。三、主要設計內容目前光功率計測量方法有兩種，一種是熱轉換方式，其原理是利用黑體吸收光功率后溫度來計算光功率的大小，這種方法的有優(yōu)點是光譜響應曲線平坦、準確度高，缺點是成本高，響應時間長；另一種是半導體光電檢測方式，一般被用來作為標準光功率計。本課題研究的正是這種方式，主要研究內容有：1、總體設計：根據(jù)光功率檢測的基本理論，對PIN光電二極管的工作原理進行分析，選擇PIN光電二極管作為光探頭，設計合適的電路以達到工作電路的噪聲最低。由PIN光電二極管轉化得到的信號需經過軟硬件系統(tǒng)的處理。軟硬件系統(tǒng)包括硬件：信號放大電路、A/D數(shù)模轉換部分、單片機模塊、電源管理模塊以及其他的模塊；軟件部分包括：單片機對各個模塊的控制和數(shù)據(jù)處理。光探頭光電轉換電路I/V轉換電路放大濾波電路A/D轉換電路外圍輸入 MCU處理LCD顯示總體方案流程圖2、系統(tǒng)調試：對于我們所使用的PIN光電二極管需要做光功率光譜響應驗證實驗。根據(jù)我們選取的PIN光電二極管的參數(shù)，利用半導體載流子連續(xù)方程得到光譜計算公式和理論響應曲線；對各個硬件模塊進行單獨調試，使模塊性能能夠達到性能要求；對軟件部分進行模擬調試，調整各個模塊的參數(shù)，設計單片機程序控制電源。四、課題重點、難點及要解決的主要問題1、PIN光電二極管光功率關于光譜響應特性的研究。2、光電轉化電路、I/V轉換電路、放大濾波電路、A/D轉換電路的設計。3、了解單片機的端口功能。4、根據(jù)系統(tǒng)功能設計出單片機控制程序。五、研究路線及工作計劃序號工作計劃日 期1查閱文獻, 熟悉PIN光電二極管的基本結構原理，并復習相關的光電技術、數(shù)字電子、模擬電子等方面的理論知識，學習keil、proteus、Multisim等軟件 2015年1月15日2月29日2撰寫開題報告，并及時修改3月15日3掌握光譜響應分析基本方法尋找解決重點和難點的方法，建立模型4月15日4撰寫畢業(yè)設計(論文)中期報告4月20日5通過計算機軟件建立模型，進行仿真、調試 5月15日6撰寫畢業(yè)論文，完成畢業(yè)論文初稿5月25日7修改完善畢業(yè)論文，進行答辯6月初六、參考文獻1康恒、梁永強 光通信的發(fā)展趨勢探討J