基于PIN光电二极管的光功率计设计

摘要

光功率计是检测光信号功率大小的一种仪器，是光测试仪器中常用基础设备，广泛应用于光纤通信、生物医学等高新技术领域。目前，国内所开发的光功率计所采用的光电探测器主要有光电倍增管和光电池，采用光电倍增管的光功率计，工作电压高、环境因素影响大，而采用光电池的光功率计由于受到暗电流的影响，误差较大。显然，对于现场工程应用，采用以上两种光电探测器的光功率计存在明显的缺点。随着近几年PIN光电二极管等新型光电探测器的广泛研究及开发，其在对光信号的检测上，不仅检测精度有所提高，而且受工作环境因素影响较小，所以在本设计中以PIN光电二极管作为光电探测器，设计了一款针对现场工程应用的光功率计。
　　 要测得准确的光功率值，需获得PIN光电二极管的光谱响应度值和光生电流值，本文利用半导体基本方程中的载流子连续方程，对PIN光电二极管的光电转换过程进行分析计算，推导出了该光电二极管的光谱响应度关于入射光波长的函数;PIN光电二极管的光生电流可经电流/电压变换，转换成电压值，通过对电压值的测量来获得PIN光电二极管的光生电流值。
　　 在本光功率计的设计上，首先，采用了对数放大器进行电流/电压变换及放大;然后，为了满足后续A/D转换精度的要求，设计了相应的电压信号调理电路;最后，从光功率计的成本上考虑，采用了以高性价比的STC12C5A60S2单片机为核心器件，搭建了硬件系统，并完成了系统软件的编写。实测结果和使用情况表明:本光功率计成本低、灵敏度好、性能稳定、便于携带，基本满足现场工程应用的要求。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究的目的与意义

1．2 国内外现状分析

1．2．1 光功率计国内外现状分析

1．2．2 PIN光电二极管的发展现状

1．3 主要研究内容

第2章 光功率检测的理论基础及PIN光电探测器的噪声分析

2．1 光功率检测的理论基础

2．2 PIN光电探测器模块

2．2．1 PIN光电二极管工作原理

2．2．2 PIN光电二极管的性能参数

2．3 PIN光电探测器的噪声分析及相应的降低噪声措施

2．3．1 PIN光电探测器的噪声分析

2．3．2 PIN光电探测器的降低噪声的相关措施

2．4 本章小结

第3章 PIN光电二极管的光谱响应度计算

3．1 光谱响应度的模拟计算公式推导

3．2 Si-PIN光电二极管的光谱响应度曲线

3．3 光谱响应度拟合曲线的试验验证

3．3．1 实验方案

3．3．2 光谱响应度的实验数据处理

3．4 本章小结

第4章 光功率计的硬件和软件设计

4．1 光功率计的总体设计框图

4．2 系统低功耗设计

4．3 光功率计硬件电路设计

4．3．1 信号调理电路

4．3．2 A／D转换电路

4．3．3 单片机模块

4．3．4 电源管理

4．3．5 单片机外围电路设计

4．4 光功率计的软件设计

4．4．1 光功率计系统主程序

4．4．2 按键处理任务

4．4．3 A／D转换任务

4．4．4 数据处理任务

4．4．5 LCD显示任务

4．5 本章小结

第5章 光功率计调试及性能测试

5．1 光功率计调试

5．2 光功率计准确度测试

5．2．1 准确度试验

5．2．2 光功率计误差分析

5．3 光功率计性能测试

5．3．1 线性度试验

5．3．2 其他性能测试

5．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间发表论文情况

致谢