基于对数比率放大电路的光功率测量

　　1　概述

　　光功率测量是光纤通信系统最基本的测试参数之一[1]。用来测量光功率的仪表称为光功率计或光纤万用表,是任何光纤传输系统生产制造、安装、运行和维护必备的测试仪表,用于测量绝对光功率或通过一段光纤的光功率相对损耗,与电子学中的万用表功能很相似。它与光源配合使用,可测出光纤、光缆和各种无源光器件的光损耗,广泛应用于局域网、有线电视和长途光缆干线,也可用于光纤光缆、有源和无源光器件的研究开发生产中。一般光功率计的原理组成框图如图1所示。

　　PIN管(Si,Ge或InGaAs)接收光输入后,产生了与输入光功率成正比的电流信号,经I/V变换和程控放大等线性放大电路放大到一定的电压,然后再经A/D转换器转换成数字信号后送CPU进行数据处理与校准,用软件完成对数转换计算,最后得到被测光功率的对数值,并将结果显示出来[2]。

　　这种功率计存在以下不足:动态范围有限,一般只能到70dB;要求使用高阻值精密电阻作为增益放大;存在换档误差;软硬件较复杂,需进行对数和量程切换处理,不适于多路光监测。

　　这里介绍一种基于对数放大电路的光功率计,它可处理动态范围宽达80 dB的光信号,且全量程无换档误差,是光功率测量的最佳选择,尤其适合光缆在线监测。

　　2　对数比率信号处理技术

　　近年来,随着Log-ratio技术的迅速发展,宽带对数放大器也应运而生,使得信号处理电路变得简单和易于执行,对数比率信号处理技术越来越受青睐,且日趋成熟,可以在很宽的动态范围内保持精确的测量。宽动态范围信号经过压缩之后,使用较低分辨率的测量电路即可实现信号测量[3]。如考虑用一只响应度为0.5 A/W的光电二极管来将光信号转换为100 nA~1 mA的电流信号,如果动态范围为40dB,误差为1%,则所要求的测量分辨率是0.01×10-4,若使用单增益线性放大电路,则需要一个20位A/D转换器;若采用对数比率放大器将这种输入压缩到0~4 V的范围内,这时只需使用一个10位A/D转换器即可满足要求。

　　3　系统硬件电路组成

　　其系统硬件电路组成如图2所示。

　　PIN光/电转换器的功能是把输入光信号转换成电流信号Iin,经对数放大单元处理后其输出电压VO和输入光功率的平均值成正比,通过A/D转换后由微处理器计算校准后直接送显示器,也可用V/F变换(如AD654JN)和具有计数功能的单片机(如PIC16C62A)配合进行后续信号处理,因V/F变换的输出频率正比于输入电压,通过单片机计数和对频率值的换算便可获得与输入光功率成正比的电压信号。系统中所使用的对数放大单元电路的传递函数为