光功率计设计

专业课程设计报告
电子科学与技术教研室
一、设计题目：
光功率计的制作
二、设计要求：
1．利用LD激光二极管作为光源，设计电路测其光功率值大小
2．用数码管显示数值
3．根据数码管显示数值，通过分析，计算光功率值
4．分析实验中存在误差，尽量的克服和消除。

5．制作成电路板形式，并经指导老师验证
6．记录实验数据，与LD激光二极管光功率真实值大小对照并分析误差等
7．书写实习报告等
三、分析设计
1：光功率计设计分析过程：
(a) LD激光二极管发出光信号通过光电接收器（PIN）转化为电信号（电流）。

其中光功率P与电流I存在如下关系：
I=RP （R光电检测器的响应度，为LD输出光功率值）
（b）刚开始以为用LED,由于光检测器（PIN）形成的是小信号电流，所以必须设计放大电路对小信号进行放大，以达到模数转换芯片所能正常工作所需电压幅值的要求.但最后由于使用LD的功率较大，所以最终没用到放大电路，对于直流信号只需加电阻放大即可。

(c) 把此电压U的正负两端分别与数码管的31，30管脚相连，经过ICL7107A/D模数转换，用数码管将放大的电压电信号显示出来。

(d) 当光信号发生变化时，数码管所显示的数值随放大电路参数的改变而成比例变化，即设计基本正确；数码管所显示的电压值就是此时输入的光功率值的代换值。

即:P=U/（R1*R）其中R：光电检测器响应度
2:光功率计的设计思想:
测量光功率是光纤通信测量一个重要步骤，测量光功率有热学法和光电法和其他的特殊方法。

由于我们所学知识的限制，我们通过自己所
熟悉的光电法来实现功率计的制作。

光电法就是用光电检测器检测光功率，设计中使用PIN光电二极管作为光电检测器。

实质上是测量PIN在受光辐射后产生的微弱电流，根据光功率P与PIN生成电流I的关系式;
I=RP
此电流与入射到光敏面上的光功率成正比，R为光电检测器的响应度。

检测到的电流经过基本的滤噪电路的去噪后，再经过A/D转换模块，把模拟的电信号转化成数字信号通过数码管显示出来。

因此，光功率计实际上是光电检测器PIN、放大去噪电路、 A/D转换电路、数字显示电路这四个模块的结合。

3:设计图形模块:
4：所需器件:
LD激光二极管-------------------------1个
共阴极数码管--------------------------------4个
电路板--------------------------------1个
直流稳压电源--------------------------1个
万用表--------------------------------1个
信号发生器----------------------------1个
电容0.22UF,0.47UF,100PF,0.1UF------各1个
电阻100K,47K,24K,1K，10ohm ，240ohm,
200ohm，1k,470ohm-------各1个
导线----------------------------------若干
钳子,镊子----------------------------------1把
5：元件参数:
PIN（型号：PDDM981）技术指标：
光敏面直径：60um 光谱响应范围：1.1~1.6um 响应度（波长=1.3um）：0.94A/W
工作电压：-5V 暗电流（-5V）：〈=1nA 结电容（-5V）：〈1pF 上升时间：〈0.5ns 下降时间：〈0.5ns 工作温度：-20~+70摄氏度
6：模块设计:
（1）放大电路模块
1:.直流放大电路：
此图为直流放大电路的截图，通过调节R1的值可以使电流转化为电压并放大到相应的倍数。

左侧为小信号电流输入端
右侧为测试电压输入端
2，交流放大电路：
a为小信号输入点。

b为测试电压输入点。

注：此电路是在不失真的情况下，尽可能的放大信号。

但由于没时间完成交直转换最终没完成交流部分，交直转换电路如下：
（2）模数转换模块，利用模数转换芯片ICL7107将电信号转换成二进制的数字信号并经过译码器译码，最后连接数码管显示，具体电路图如下：
ICL7107A/D部分总的电路图
输入为直流信号时
(3)光模块部分
（1）光源LD激光二极管
（2）光电接收模块（PIN），接受光源并使之变成小的电信号；
注:光部分的两个模块由老师在检测时直接加上.无须自己再设计
四、实验调试结果:
1．功率计的核心是对检测电流经转化后电压的放大，使之适合在A/D转化器上转化成数字信号并放大
放大电路截图
放大倍数大概在13左右,满足设计要求.
2．但是由于放大对直流来说仅用足值的电阻串联可一并实现电流向电压的转化，和小信号的直接放大，因此在实际的设计过程中的光功率计的决定性部分是转化为模数转换芯片的正确应用和调试。

[1] 调试过程及问题的解决
（1）芯片ICL7107需要自己熟悉其模数转化原理及各管脚的接入情况。

（2）在直流电源上自制负电源接入26脚。

（3）测试数码管的共极情况（我们用共阴极的）。

因为仿真用的数码管是共阳极的，而提供的是共阴极的，所以最终我们接了反相器，虽然插板子很麻烦但结果显示很清晰。

（4）电路连接好之后为使36脚的基准电压为100mV，需要调试两个滑
动变阻器来实现。

设计用的滑动变阻器，老师提供的没有合适的，我们就自己试阻值让结果更精确。

比如，35、36管脚之间的1K的可变电阻，我们最终确定用440ohm的电阻代替，调试时先从480ohn调到510ohm，发现低于测试电压就又从480ohm调到330ohm，发现高于测试电压，最终发现用440ohm的电阻最精确。

（5）芯片的电源地是21 脚，模拟地是32 脚，信号地是30 脚，基准地是35 脚，四脚共地，1脚接正电源，其中正负电压值输入值在5V左右。

37管脚在测试时接+5v,在正常显示时接地。

（6）在第三个数码管上把小数点接地，但是在接地的时候发现，数码管的显示变暗，于是在小数点位接地前先过一个阻值适宜的电阻即可解决，我们自己用100欧姆的。

（7）接入信号源，调节幅值的大小，观察数码管上的显示是否与接入同步，并且均值误差在零点几个mV之间，并且四位显示除最后一位外有稍小的变动外基本稳定。

（8）当幅值超过200mv时，由于数码管只能显示199.9mV，所以此时仅有最高位显示是1，其余都暗的。

五、设计结果
(1)检测时在电路部分加上光源和光检测器,通过直流放大部分,把转化后的电压加入A/D转换器的测试电压输入点.
(2)改变放大电路的参数(阻值),同时观察示波器对输入段的检测结果和,数
码管显示结果.
(3)数据的纪录：
电检测：
光检测：
将光调小后，数码管显示随即变小，显示正确。

(4)数据分析：显示结果与预期很接近。

实现了通过光电转化使光信号转化为电流信号；并经过放大电路把电流转化为电压并放大到AD转化芯片的工作范围；改变放大效果，显示值跟随放大值改变，设计比较精确很成功。

六、实习心得体会:
1．刚拿到题目时没一点思路，也不明白光功率计的工作原理，马上分配工作，去图书馆和网上分别开始查资料，等搜集足够的资料后进行
讨论，理清了思路。

2.弄懂芯片ICL7107各管脚的功能后设计好电路，开始插板子。

3.设计电路时用的是共阳极，而提供共阴极所以插好板子示数刚好相反，为了容易读数做了反相器。

4．电路插好后开始测试，将37管脚加上+5V电压，36脚的基准电压应为100mV，可我们的误差比较大，根据各管脚的功能我们开始调35、36之间的电阻，最终确定当为440ohm时误差最小。

这一步是设计中最关键的一步。

5．本次课程设计前期准备比较麻烦，知识储备必须很丰富，搜集资料过程比较艰难，设计过程在大家的共同努力下，积极请教老师，进行的还比较顺利，后期插板子也没出什么大问题，主要在于精确度的调制。

6.光功率计的设计很成功，这次设计提高我的动手能力，丰富了我的知识储备。

七、附录
数字电压表电路ICL7107
ICL7107.7106pdf资料下载
ICL7107 安装电压表头时的一些要点：按照测量＝±199.9mV 来说明。

1.辨认引脚：芯片的第一脚，是正放芯片，面对型号字符，然后，在芯片的左下方为第一脚。

也可以把芯片的缺口朝左放置，左下角也就是第一脚了。

许多厂家会在第一脚旁边打上一个小圆点作为标记。

知道了第一脚之后，按照反时针方向去走，依次是第 2 至第 40 引脚。

（1 脚与 40 脚遥遥相对）。

2.牢记关键点的电压：芯片第一脚是供电，正确电压是 DC5V 。

第 36 脚是基准电压，正确数值是 100mV，第 26 引脚是负电源引脚，正确电压数值是负的，在－3V 至－5V 都认为正常，但是不能是正电压，也不能是零电压。

芯片第 31 引脚是信号输入引脚，可以输入±199.9mV 的电压。

在一开始，可以把它接地，造成“0”信号输入，以方便测试。

3.注意芯片 27,28,29 引脚的元件数值，它们是 0.22uF,47K,0.47uF 阻容网络，这三个元件属于芯片工作的积分网络，不能使用磁片电容。

芯片的 33 和 34 脚接的104 电容也不能使用磁片电容。

4.注意接地引脚：芯片的电源地是 21 脚，模拟地是 32 脚，信号地是 30 脚，基准地是 35 脚，通常使用情况下，这 4 个引脚都接地，在一些有特殊要求的应用中（例如测量电阻或者比例测量），30 脚或 35 脚就可能不接地而是按照需要接到其他电压上。

－－本文不讨论特殊要求应用。

5.负电压产生电路：负电压电源可以从电路外部直接使用 7905 等芯片来提供，但是这要求供电需要正负电源，通常采用简单方法，利用一个 +5V 供电就可以解决问题。

比较常用的方法是利用 ICL7660 或者 NE555 等电路来得到，这样需要增加硬件成本。

我们常用一只 NPN 三极管，两只电阻，一个电感来进行信号放大，把芯片38 脚的振荡信号串接一个 20K －56K 的电阻连接到三极管“B”极，在三极管“C”极串接一个电阻（为了保护）和一个电感（提高交流放大倍数），在正常工作时，三极管的“C”极电压为 2.4V － 2.8V 为最好。

这样，在三极管的“C”极有放大的交流信号，把这个信号通过 2 只 4u7 电容和 2 支 1N4148 二极管，构成倍压整流电路，可以得到负电压供给 ICL7107 的 26 脚使用。

这个电压，最好是在－3.2V 到－4.2V 之间。

6.如果上面的所有连接和电压数值都是正常的，也没有“短路”或者“开路”故障，那么，电路就应该可以正常工作了。

利用一个电位器和指针万用表的电阻 X1 档，我们可以分别调整出 50mV,100mV,190 mV 三种电压来，把它们依次输入到 ICL7107 的第 31 脚，数码管应该对应分别显示 50.0,100.0,190.0 的数值，允许有 2 －3 个字的误差。

如果差别太大，可以微调一下 36 脚的电压。

7.比例读数：把 31 脚与 36 脚短路，就是把基准电压作为信号输入到芯片的信号端，这时候，数码管显示的数值最好是 100.0 ，通常在 99.7 － 100.3 之间，越接近 100.0 越好。

这个测试是看看芯片的比例读数转换情况，与基准电压具体是多少 mV 无关，也无法在外部进行调整这个读数。

如果差的太多，就需要更换芯片了。

8.ICL7107 也经常使用在±1.999V 量程，这时候，芯片 27,28,29 引脚的元件数值，更换为 0.22uF,470K,0.047uF 阻容网络，并且把 36 脚基准调整到 1.000V 就可以使用在±1.999V 量程了。

9.这种数字电压表头，被广泛应用在许多测量场合，它是进行模拟－数字转换的最基本，最简单而又最低价位的一个方法，是作为数字化测量的一种最基本的技能。

.....
ICL7107是一块应用非常广泛的集成电路。

它包含3 1/2位数字A/D转换器，可直接驱动LED数码管，内部设有参考电压、独立模拟开关、逻辑控制、显示驱动、自动调零功能等。

这里我们介绍一种她的典型应用电路--数字电压表的制作。

其电路如附图。

制作时，数字显示用的数码管为共阳型，2K可调电阻最好选用多圈电阻，分压电阻选用误差较小的金属膜电阻，其它器件选用正品即可。

该电路稍加改造，还可演变出很多电路，如数显电流表、数显温度计等.
数字电压表的几种常用的应用电路
数字电压表(数字面板表)是当前电子、电工、仪器、仪表和测量领域大量使用的一种基本测量工具有关数字电压表的书籍和应用已经非常普及了。

这里展示的一份由 ICL7106 A/D 转换电路组成的数字电压表(数字面板表)电路，就是一款最通用和最基本的电路。

与 ICL7106 相似的是 ICL7107 ，前者使用 LCD 液晶显示，后者则是驱动 LED 数码管作为显示，除此之外，两者的应用基本是相通的。

电路图中，仅仅使用一只 DC9V 电池，数字电压表就可以正常使用了。

按照图示的元器件数值，该表头量程范围是±200.0mV。

当需要测量±200mV 的电压时，信号从 V-IN 端输入，当需要测量±200mA 的电流时，信号从 A-IN 端输入，不需要加接任何转换开关，就可以得到两种测量内容。

也有许多场合，希望数字电压表(数字面板表)的量程大一些，那么，只需要更改 2 只元器件的数值，就可以实现量程为±2.000V 了。

更改的元器件具体位置和数值见下图的 28 和 29 两只引脚：
在有了一只数字电压表(数字面板表)之后，按照下面的图示，给它配置一组分流电阻，就可以实现多量程数字电流表，分档从±200uA 到±20A 。

但是要注意：在使用 20A 大电流档的时候，不能再有开关来切换量程，应该专门配置一只测量插孔，以防烧毁切换开关。

与多量程电流表对应的是经常需要使用多量程电压表，按照下图配置一组分压电阻，就可以得到量程从±200.0mV 至±1000V 的多量程电压表。

测量电阻与测量电流或者电压一样重要，俗称“三用表”，利用数字电压表做成的多量程电阻表，采用的是“比例法”测量，因此，它比起指针万用表的电阻测量来具有非常准确的精度，而且耗电很小，下图示中所配置的一组电阻就叫“基准电阻”，就是通过切换各个接点得到不同的基准电阻值，再由 Vref 电压与被测电阻上得到的 Vin 电压进行“比例读数”，当 Vref ＝ Vin 时，显示就是
Vin/Vref*1000=1000 ，按照需要点亮屏幕上的小数点，就可以直接读出被测电阻的阻值来了。

在产品数字万用表中，为了节省成本和简化电路，测量电流的分流电阻和测量电压的分压电阻以及测量电阻的基准电阻往往就是同一组电阻。

这里不讨论数字万用表的电路，仅仅是帮助读者在单独需要使用某种功能时，可以有一定的参考作用。

下图是一个最简单的 10 倍放大电路，运算放大器使用的是精度比较高的
OP07 ，利用它，可以把 0～200mV 的电压放大到 0～2.000V。

在使用的数字电压表量程为 2.000V 时，（例如 ICL7135 组成的 41/2 数字电压表，基本量程就是
2.000V。

）特别有用。

如果把它应用在基本量程为±200.0mV 的数字电压表上，就相当于把分辨力提高了 10 倍，在一些测量领域中，传感器的信号往往觉得太小了，这时，可以考虑
在数字电压表前面加上这种放大器来提高分辨力。

在电流或者电压的测量中，经常遇见测量的并不是直流而是交流，这时候，绝对不可以把交流信号直接输入到数字电压表去，必须先把被测的交流信号变成直流信号后，才可以送入数字电压表进行测量。

下图就是一个把交流信号转换成为直流信号的参考电路。

（说明：更好的交流转换成为直流的电路是一种“真有效值”转换电路，但是由于其专用芯片价格昂贵，多应用在一些高档场合。

）
本电路中，输入的是 0～200.0mV 的交流信号，输出的是 0～200.0mV 的直流信号，从信号幅度来看，并不要求电路进行任何放大，但是，正是电路本身具有的放大作用，才保证了其几乎没有损失地进行 AC － DC 的信号转换。

因此，这里使用的是低功耗的高阻输入运算放大器，其不灵敏区仅仅只有 2mV 左右，在普通数字万用表中大量使用，电路大同小异。

西安邮电学院电信系课程设计过程考核表
西安邮电学院电信系课程设计成绩鉴定表。