微弱光信号功率的高精度测量技术

    1　引　言

    随着科学技术的进步,光纤通信也得到了迅速的发展,同时对微弱光信号的功率测量要求越来越高,包括其测量的动态范围、稳定度、体积的大小和低功耗问题。ICL7650和MSP430已成为主要设计器件。

    2　模拟信号部分

    2. 1　信号的高精度放大原理

    利用斩波稳零式高精度运算放大器ICL7650和模拟开关将光信号转换成与A/D采样所需求的匹配信号。

    ICL7650除了具有普通运算放大器的特点和应用范围外,还具有高增益、高共模抑制比、失调小和漂移低等特点,其工作原理如图1所示。ICL7650含有2个放大器, MAIN是主放大器(CMOS运算放大器)和NULL是调零放大器(CMOS高增益运算放大器)。电路通过电子开关的转换来进行如下2个阶段工作:第一阶段是在内部时钟(OSC)的上半周期,电子开关A和B导通,A和C断开,电路处于误差检测和寄存阶段;第二阶段是在内部时钟的下半周期,电子开关A和C导通,A和B断开,电路处于动态校零和放大阶段。由于ICL7650中的NULL运算放大器的增益一般可达到100 dBm左右,因此,即使主运放MAIN的失调电压VOSN达到100 mV,整个电路的失调电压也仅为1μV。由于以上2个阶段不断交替进行,电容CN和CM将各自所寄存的上一阶段结果送入运放MAIN、NULL的调零端,可见, ICL7650是一种高增益、高共模抑制比和具有双端输入功能的运算放大器^[1]。

    2. 2　电路设计分析

    如图2所示电路是ICL7650在光信号功率检测的前置放大电路的应用。由于输入的模拟信号变化范围较大,通常不是MSP430内部AD部分所要求的范围,所以在高精度、高要求的AD采样过程中,为使输入的模拟信号与AD采样所需求的信号相匹配,通常在AD采样前加入前端调理电路,以缩放和平移要采样的信号,从而使调理后的信号适合A/D转换器的模拟输入要求。如图2所示,微弱光信号通过光电二极管转化成弱电流信号,通过模拟开关(如CD4051)控制放大倍数,同时将放大倍数以3位数字信号形式提供给MSP430进行处理。根据反向比例放大器的工作原理,电压增益为A_u=R_i/R₁, (式中Ri为实际接入回路的电阻值,如图2取值范围为R₁₁~R₁₇)使信号与AD采样所需求的信号相匹配。再将信号通过二阶有源低通滤波器滤去少量的高频分量。同时在电路设计是还应该在模拟信号输出点加上一个接地电容,防止应模拟开关的转换而使模拟信号波形产生毛刺现象。最后将信号通过调零电路后送入MSP430进行采样。图3中的运放选用OP07即可。

    3　数字信号部分

    3. 1　M SP430F13X介绍

    MSP430F13X是TI公司推出的超低功耗Flash型的16位RISC高性能单片机,有16 k的ROM、256BFlashMemory、8个外通道、4个内通道12位A/D转换器;采样频率可达200 kHz在8MHz时钟时可得到125 ns的指令周期;具有16个快速响应中断,能及时处理各种紧急事件,故能满足一般实时处理的要求。实验表明,以MSP430F13X单片机为基础的微信号检测仪表,具有成本低、结构简单、低功耗和可靠性高等优点^{[2, 3]}。