基于對數放大電路的激光光功率測量實驗的設計＊

胡崢，邵莉芬，王玉珠，金張，高帆

基于對數放大電路的激光光功率測量實驗的設計＊

胡崢1，邵莉芬1，王玉珠2，金張2，高帆3

（1.武漢市儀表電子學校，湖北 武漢 430205；2.武漢優科瑞特信息技術有限公司，湖北 武漢 430000； 3.安陽市中等職業技術學校，河南 安陽 455000）

隨著對數放大技術廣泛應用于光功率測量，基于對數放大技術測量光功率是中職光電相關專業學生需要掌握的專業技能。從教學實際出發，基于對數放大器LOG112和MCU8051F020單片機設計了激光光功率測量實驗裝置，該裝置硬件電路簡單，測量精度高，價格低廉，集演示性、設計性、綜合性、驗證性于一體。教學實踐表明，學生能夠充分地認識和較好地掌握光學技術原理和應用。

實驗裝置；光電二級管；光功率；對數放大

1 引言

光電產業是適應未來社會發展的戰略產業[1]。目前，作為信息和能量載體的光電子，在信息的光顯示、光存儲和激光上，已形成了新興的光電子工業，對各個國家的經濟建設、社會變革、國家安全乃至整個社會發展起著難以估量的關鍵作用。中等職業學校光電相關專業致力于開展光電技術領域從事生產、設備裝配調試與維護、檢測、生產管理等工作，培養學生成為未來職業生涯發展的高素質技能型人才[2]。光功率測量是光電技術中最基本的測試技術之一，是學生需要掌握的專業知識和技能。傳統的光功率測量是采用光電探測器將輸入光信號功率轉換為成正比的電信號，經過I/V變換和程控開關選擇不同電阻來切換量程，這種光功率測量方法軟硬件復雜、動態范圍小，需要高精密電阻作為增益放大，換擋誤差大[3]。隨著對數放大技術的迅速發展，寬帶對數放大器使得信號處理電路變得簡單易行。對數放大技術可以在很寬的動態范圍內保持很高的精度，已廣泛用于光功率測量領域[4]，因此，讓學生掌握對數放大技術測量光功率的方法十分必要。本文基于TI公司對數比放大器LOG112，開發了激光光功率測量的實驗裝置，該實驗裝置簡單，集演示性、設計性、綜合性、驗證性于一體，使學生能夠充分地認識和較好地掌握光學技術原理和應用，具有測量精度高，價格低廉，電路設計簡潔、形象直觀的特點。

2 系統設計及原理

系統由PIN光電二極器、對數放大器、WIFI通訊模塊、微處理器和按鍵顯示模塊組成，如圖1所示。光信號入射到光電探測器PIN上后，入射光功率與產生的光電流i成正比，經過對數放大器處理后起輸出電壓與輸入光功率成正比，由微處理內置的A/D模塊轉換后，微處理器計算校準后將結果在LCD顯示器上顯示。其間，鍵盤可對微處理器進行控制，同時微處理器器對A/D的輸出信號自動判別，通過Wi-Fi通訊模塊可將測量值上傳至PC端軟件顯示處理。

圖1 光功率測量系統示意圖

光電探測器采用PIN光電二極管。PIN光電二極管由高摻雜P型和N型半導體組成，在兩個材料之間生長一層本征半導體材料或低摻雜半導體材料，稱為I層，高摻雜的P區和N區非常薄，使得光子在耗盡區內能夠被充分吸收，以利于提高量子效率和響應速度。因此，PIN光電二極管具有體積小、低溫漂、低反向偏壓、靈敏度高等優點。

本系統采用TI公司精密對數和對數比放大器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由對數運算電路復合而成，而且整個電路進行溫度補償。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1、2任意一路輸入，一般用1為轉換電流的輸入，2為基準電流的輸入，電路圖如圖2所示，對數放大后的輸出電壓值如下：

經過對數放大后的電壓值和輸入光功率值呈線性關系，A/D轉換也是線性變換，所以可以直接利用AD轉換值來計算光功率，則測量光功率為：

=+（1）

微處理器選用Cygnal公司的MCU8051F020單片機，該單片機是一款高性能的數字/模擬混合微處理器，該芯片內置12位精度的A/D轉換器，可直接利用集成的A/D轉換器進行數據采集和處理，滿足功率測量對ADC的要求。使用該芯片可省去時鐘芯片、液晶驅動芯片、A/D轉換芯片，使系統外圍電路簡潔、容易布板,也提高了整機的可靠性。 MCU8051F020芯片將信號發送給Wi-Fi通訊模塊，Wi-Fi通訊模塊與上位機通信，可以實現功率測量系統與上位機的信息通訊。電源模塊負責向整個系統供電[5]。

圖2 對數放大電路示意圖

3 教學設計考慮

實驗電路面板直觀顯示電路原理圖，實際的元器件放置于電路板背面，所有支路節點均預留測試接口，方便學生用表或數字示波器等儀器測量電路各節點節點電壓、信號頻率和波形質量等數據，操作靈活。

對數放大電路輸出端預留測試接口，PIN光電二極管與對數放大電路之間以接口形式連接，可以讓學生驗證不同材料PIN光電二級管對激光波長的響應度，學生可以將Ge和Si的PIN光敏二極管分別接入對數放大電路的輸入端，測試對數放大電路輸出值，從而驗證不同材料的光電二極管的響應度。

改變入射激光功率，學生可通過對數放大電路輸出端測試接口測試輸出電壓的變化，從而觀察到不同的光功率引起對數放大器輸出電壓的變化。

4 光功率測量校準與應用

用標準光功率計測出激光輸出平均功率，選用Newport公司的1936-C型功率計。改變激光器輸出功率，利用微處理器測量對應的A/D轉換值，采用最小二乘法擬合可得式（1）中和值。

實驗用808 nm半導體泵浦Nd3+，以YVO4激光器為研究對象，產生1 064 nm激光，在諧振腔中插入KTP倍頻晶體產生532 nm倍頻光。激光功率實驗數據如表1所示。激光輸出功率與泵浦光源電流關系如圖3所示。實驗結果滿足該激光輸出光特性。

表1 激光功率實驗數據

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

針對光功率測量的實驗要求，基于TI公司對數比放大器LOG112，開發了激光光功率測量的實驗裝置，PIN光電二極管采集光信號后，直接將電流信號輸入LOG112對數放大器進行對數轉換和放大，通過微處理器計算校準得到對應的光功率值。該裝置硬件設計十分簡單，測量精度高，教學性強，可以滿足光電相關專業實驗教學需要，有利于提高學生的專業技能，促進學生充分地認識和較好地掌握光學技術原理和應用。

［1］曹方，王凡.如何系統提升我國光電產業創新能力［J］.科技中國，2019（7）：54-57.

［2］張長春.中職光電專業學生職業核心素養評價體系的實踐研究［J］.職業，2019，500（1）：63-65.

［3］孟波，沈曉菲，李兵兵.對數比放大電路在精密光功率計中的應用［J］.電光與控制，2008，15（10）：78-80.

［4］楊浩，劉譯文，趙笠錚，等.基于AD8304對數放大器的高精度光功率計的設計［J］.實驗科學與技術，2015，13（4）：215-218.

［5］陳德金，程亮，趙軍.基于8051F020的數據采集分析系統［J］.中國測試，2009，35（2）：57-60.

TN248.4

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.19.013

2095－6835（2019）19－0035－02

胡崢（1966—），女，講師，主要研究方向為電子測量。

王玉珠（1987—），女，工程師，主要研究方向為激光技術。

湖北名師工作室項目

〔編輯：嚴麗琴〕