0 引言

　　數字光功率計是一種由單片機控製的、可測量光信號強弱的便攜式儀(yi) 器，是光纖通信幹線鋪設、設備維護、科研和生產(chan) 使用的重要儀(yi) 器。然而，傳(chuan) 統的光功率計存在測量精度低，測量範圍窄，便攜性差等問題。針對這種情況，開發了一種由AVR單片機控製的通用便攜光功率計，具有量程可自動轉換，測量精度高，通用性強，攜帶方便的特點，非常適合在光信息、光通信領域使用。

　　1 係統原理

　　光功率就是光在單位時間內(nei) 所做的功。該數字光功率計由微處理器、光電探測器、I／V變換器、量程自動轉換、A／D轉換、液晶顯示等部分組成，其係統原理如圖1所示。

　　微處理器采用AVR係列ATmega16單片機，它是基於(yu) 增強型AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微控製器。在外設方麵，它具有一個(ge) 可編程的UART和獨立於(yu) 片內(nei) 振蕩器的看門狗定時器等資源，支持SPI接口，允許ATmega16與(yu) 其他外設或AVR單片機進行高速的同步數據傳(chuan) 輸。

　　係統采用矽光電池作為(wei) 光電探測器，它被設計用於(yu) 把入射到它表麵的光能轉化為(wei) 電能，因此，可用作光電探測器和光電池，被廣泛用於(yu) 實驗室和野外便攜式儀(yi) 器等的探測器。在該係統中，矽光電池工作於(yu) 零偏狀態。

　　自動量程轉換部分通過運算放大器和多路選擇開關(guan) CD4051來完成。反饋信號通過CD4051選擇不同的量程，進行自動量程轉換，以輸出合適的電壓信號。

　　數據采集部分通過16位精度的A／D轉換器AD7705完成將模擬電壓信號轉換成數字信號。數據經AVR單片機ATmega16處理後轉換成光功率數據，在1602液晶屏幕上顯示出來。

　　本文設計的數字光功率計采用ATmega16來#p#分頁標題#e#控製係統的整體(ti) 工作。以矽光電池作為(wei) 光電傳(chuan) 感器，使用LM324將信號放大，通過16位精度的A ／D轉換器AD7705將模擬信號轉換成數字信號。粗測數據的信號反饋，可使單片機控製CD4051選擇不同的量程，以重新選擇量程並進行A／D轉換。最後用1602液晶顯示光功率的大小。

    2 自動量程轉換

　　實現高精度的測量。一般通過控製輸入信號的衰減／放大倍數來實現。就光功率計而言，一般輸入信號都比較小，所以其量程切換基本上都是放大倍數的切換。在該係統中，量程自動轉換主要由多通道開關(guan) CD4051和集成運放LM324組成。兩(liang) 者連接圖如圖2所示。

　　CD4051是單8通道數字控製模擬電子開關(guan) ，有3個(ge) 二進製控製輸入端A，B，C和INH輸入端，3個(ge) 二進製信號選通8通道中的一通道，可連接該輸入端至輸出。

　　前端采集的數據通過16位精度的A／D轉換器AD7705將模擬信號轉換成數字信號。粗測數據的信號反饋，可使單片機的PB4和PB3管腳控製CD4051選擇4個(ge) 不同的通道，對應不同方法的倍數，以重新選擇合適的量程，輸出合適的電壓信號進行A／D轉換。

　　3 數據采集

　　數據采集采用16 b A／D轉換器件AD7705完成（見圖3）。AD7705是AD公司推出的低功耗16位模／數轉換器，適用於(yu) 測量低頻模擬信號。它的特點是功耗低，精度高，動態範圍廣，可自校準，非常適用於(yu) 工業(ye) 控製、科研應用。由於(yu) 使用SPI接口，占用的引腳少，因此控製起來也很方便。AD7705采集到的電壓信號通過SPI接口和ATmega16進行通訊以傳(chuan) 輸數據。ATmega16作為(wei) 主機對AD7705進行控製，使用的I／O口資源分別為(wei) MOSI，MOSI，SCK，SS和AD7705通信。模擬電壓轉換成數字信號，經ATm-ega16處理後換算成光功率數據，在1602液晶屏幕上顯示出來。

#p#分頁標題#e#    4 軟件結構

　　ATmega16對整個(ge) 係統進行控製。通過PB4，PB3狀態控製CD4051的通道選擇；通過SPI口操作AD7705並獲得數據；通過寫(xie) 命令和寫(xie) 數據控製1602液晶的顯示。整個(ge) 係統的軟件流程如圖4所示。

　　該係統的量程設置有4檔，相鄰的最大電壓值是2倍關(guan) 係。首先設置最大量程檔，也就是先選擇第一大檔進行數據采樣，如果當采樣值小於(yu) 128時，就選擇第四檔進一步進行放大、轉換；當采樣值大於(yu) 128而小於(yu) 256，就選擇第三檔進行放大、轉換；當采樣值大於(yu) 256而小於(yu) 512時，就選擇第二檔進行放大、轉換；當采樣值大於(yu) 512而小於(yu) 與(yu) 1 024時，就選擇第一檔進行放大，轉換。

　　5 數據分析

　　通過實驗室標準光功率計對該光功率計進行了校準，為(wei) 了減小誤差，修正係統的線性度，在數據處理上采用了分段函數法。主要分為(wei) 3段，在不同的階段采用不同的修正係數。表1是係統數據對照表。表中的標指標準光功率計，測指測試光功率計，單位為(wei) mW。由數據可看出，誤差較小，可滿足實驗室的一般實驗需求。

　　6 結語

　　提出了一種基於(yu) ATmega16的數字光功率計係統實現方案，采用的模／數轉換元件是AD公司的AD7705模數轉換器。文中詳細介紹了自動量程轉換和數據采集係統的功能及具體(ti) 實現。該光功率計已經用於(yu) 本專(zhuan) 業(ye) 的光電實驗教學，作為(wei) 輔助測量儀(yi) 器，效果良好。