【正文】 Vcc 的上升時間不超過 1ms，就可以實現(xiàn)自動上電復(fù)位，即接通電源就成了系統(tǒng)的復(fù)位初始化。其中，按鍵電平復(fù)位是通過使復(fù)位端經(jīng)電阻與 Vcc電源接通而實現(xiàn)的，其電路如圖 （b）所示。其電路如圖 （c）所示。本系統(tǒng)的復(fù)位電路采用圖 （a）上電復(fù)位方式。經(jīng)過峰值保持后的直流信號，可以直接被 AD0804 數(shù)模轉(zhuǎn)換器接收，將該模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，以便單片機進(jìn)行識別，通過對單片機進(jìn)行軟件編程，在其內(nèi)部將其轉(zhuǎn)化為可以顯示在數(shù)碼管上的功率值，最終通過數(shù)碼管顯示，在整個系統(tǒng)的最后加入報警系統(tǒng)，可以使該課題的設(shè)計更加的完整，以便在數(shù)碼管上顯示的功率值超出了預(yù)設(shè)的最大功率值，系統(tǒng)會自動報警。 雪崩二極管是一種負(fù)阻器件，特點是輸出功率大，但噪聲也很大。所以我們就要加強總體設(shè)計的第二個環(huán)節(jié)信號的放大濾波過程，以便盡可能減小、削弱噪聲及干擾。由于這一摻入層的摻雜濃度低，近乎本征（Intrinsic）半導(dǎo)體，故稱 I 層，因此這種結(jié)構(gòu)成為 PIN 光電二極管。絕大部分的入射光在 I 層內(nèi)被吸收并產(chǎn)生大量的電子空穴對。因而光產(chǎn)生電流中漂移分量占了主導(dǎo)地位，這就大大加快了響應(yīng)速度。通過控制耗盡區(qū)的寬度可以改變 PIN 觀點二極管的響應(yīng)速度。由光電二極管作成的光檢測器的核心是 PN 結(jié)的光電效應(yīng)。當(dāng)光束入射到 PN 結(jié)上，且光子能量 hv 大于半導(dǎo)體材料的帶隙 Eg 時，價帶上的電子吸收光子能量躍遷到導(dǎo)帶上形成一個電子—空穴對。當(dāng)入射光功率變化時，光電流也隨之線性變化，從而把光信號轉(zhuǎn)換成電信號。 以 Si 為材料的光電二極管,λc=；以 Ge 為材料的光電二極管，λc=。但這種光電二極管結(jié)構(gòu)簡單，無法降低暗電流和提高響應(yīng)度，器件的穩(wěn)定度也比較差，實際上不適合做光纖通信的檢測器。在外加反向偏置電壓作用下，I 層中形成很寬的耗盡層。另外，I 層兩側(cè)的 P 層、N 層很薄，光生載流子的漂移時間很短，大大提高了器件的響應(yīng)速度。其次，材料的吸收系數(shù)不能太大，以免降低光電轉(zhuǎn)換效率。Ge―PIN 和 InGaAs―PIN 光電二極管的波長響應(yīng)范圍約為 1～。它定義為式 ())/( WAhveR?????R其中，P 0為入射到光電二極管上的光功率；Ip 為所產(chǎn)生的光電流。（3）量子效率量子效率表示入射光子轉(zhuǎn)換為光電子的效率。它定義為式 （）??hf式中,λ 單位取 μm?？梢钥闯?，響應(yīng)度、量子效率隨著波長的變化而變化。（4）響應(yīng)速度響應(yīng)速度是光電檢測器的另一個重要參數(shù)，通常用響應(yīng)時間（上升時間和下降時間），光電二極管在接收機中使用時通常由偏置電路與放大器相連，這樣檢測器的響應(yīng)特性必然與外電路相關(guān)。 影響響應(yīng)速度的主要因素有： ①檢測器及其有關(guān)電路的 RC 時間常數(shù)，設(shè)它造成的脈沖前沿上升時間為： 。從檢測器本身來看，就要盡可能RC?降低結(jié)電容。②載流子漂移通過耗盡區(qū)的渡越時間，設(shè)上升時間為： ，光電二極管的響應(yīng)速度主要受到耗盡區(qū)內(nèi)的載流子在電場作用下的漂dr?移通過所需時間(即渡越時間)的限制。漂移運動的速度與電場強度有關(guān)，電場強度較低時，漂移速度正比于電場強度，當(dāng)電場強度達(dá)到某一值后，漂移速度不再變化。耗盡區(qū)外產(chǎn)生的載流子一部分復(fù)合，一部分?jǐn)U散到耗盡區(qū)，被電路吸收?？偟纳仙龝r間定義為式 （）21di2(）????rRCr光檢測器的功能 光檢測器的主要功能是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。目前光纖通信系統(tǒng)中使用的光檢測器主要是移相開關(guān)二極管，即 PIN 二極管。阻抗值的大小決定于中間層。從而可以用于信息的檢測。應(yīng)該指出，接收器靈敏度是針對一定范圍的光波長而言的。（2）響應(yīng)速度快，線性好及頻帶寬，使信號失真盡量小。（4）體積小、壽命長、高可靠、工作電壓低等。在這里濾波的作用將會顯得至關(guān)重要，由于激光器發(fā)出的頻率在 20kHz200kHz 的范圍內(nèi)，而我選擇測量的是 18kHz22kHz 的范圍內(nèi)的信號來進(jìn)行測量，相對于其它的光波激光信號的頻率較高，所以我決定選用帶通濾波器來完成濾波的任務(wù)，帶 通 濾 波 器 是 指 能 通 過 某 一 頻 率 范 圍 內(nèi) 的 頻 率 分 量 、 但 將 其 他 范 圍 的頻 率 分 量 衰 減 到 極 低 水 平 的 濾 波 器 ， 與 帶 阻 濾 波 器 的 概 念 相 對 。 這 些 濾 波 器 也 可 以 用 低 通 濾 波 器 同 高 通 濾 波 器 組 合 來 產(chǎn) 生 。濾波器的設(shè)計此時可以化為低通濾波器與高通濾波器的級聯(lián)。其中，由于對歸一化低通濾波器進(jìn)行阻容變換并應(yīng)用高通條件，即可得到所需高通濾波器，所以問題歸結(jié)為設(shè)計合適的低通濾波器。 下 圖 就 是 帶 通 濾 波 器 設(shè) 計 的 電 路 圖 ， 從 圖 中 可 以 看 出 為 了有 效 地 完 成 濾 波 的 任 務(wù) ， 需 要 確 定 一 些 電 阻 的 阻 值 ， 因 為 課 題 所 要 的 是 1822kHz 由 以 計 算 出 ：中 心 頻 率 fc=20kHz， 帶 寬 BW=4kHz,以 及 增 益 GAIN=2， 電 容 值 C 選 擇 103 電 容 ， 通 過 計 算 可 知R1=2kΩ ， R2=100Ω ， R3=8kΩ 確 定 后 ， 根 據(jù) 以 下 電 路 圖 搭 接 電 路 ， 完 成 濾 波 部 分 的 設(shè) 計 ， 并 進(jìn)行 調(diào) 試 。 圖 信號濾波電路（ 2） 信 號 的 放 大對前面采集到的激光信號濾波后，該電壓信號還是比較微弱的，所以為了達(dá)到設(shè)計的基本要求還需要對濾波后的微弱信號進(jìn)行放大，從課題的實際需要出發(fā)，需要將電壓信號放大 50 倍。 信號放大電路如圖 所示。模擬信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時，從啟動到轉(zhuǎn)換結(jié)束 輸出數(shù)字量，需要一定的轉(zhuǎn)換時間（100us） ，在這個時間內(nèi)模擬信號需要保持不變，否則轉(zhuǎn)換精度沒保證造成轉(zhuǎn)換誤差，為了避免這種誤差，在脈沖光纖激光器光功率計的設(shè)計與研究14A/D轉(zhuǎn)換開始時將輸入信號的電平保持住，在轉(zhuǎn)換后又能跟蹤輸入信號的變化，所以峰值保持電路的功能就是跟蹤脈沖信號，直到輸入信號達(dá)到峰值，然后再進(jìn)入保持狀態(tài)，并保持輸入信號的峰值不變，直到復(fù)位，再回到跟蹤狀態(tài)。 峰值保持電路主要由比較器、寄存器、模擬開關(guān)或傳軸門等組成，寄存器中內(nèi)容的初值為零，當(dāng)輸入信號大于初值時, 比較器輸出控制信號 , 打開模擬開關(guān)傳輸門, 將信號送人寄存器寄存并輸出。本課題峰值保持電路如圖 所示。所謂 A/D 轉(zhuǎn)換器就是模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC） ，是將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。它的主要電氣特性如下：l工作電壓：＋5V，即 VCC＝＋5V。3分辨率：8位，即分辨率為1/2 8=1/256，轉(zhuǎn)換值介于0～255之間。5轉(zhuǎn)換誤差：177。6參考電壓：，即 Vref＝。脈沖光纖激光器光功率計的設(shè)計與研究15：圖 AD0804 管腳圖 顯示電路本課題采用三位一體 L E D 數(shù)碼管顯示所測距離值，數(shù)碼管采用動態(tài)掃描顯示，段碼輸出端口為單片機的 P2 口，位碼輸出端口分別為單片機的 、 口,數(shù)碼管位驅(qū)運用 PNP 三極管 S9012 三極管驅(qū)動。單片機輸出的功率值給數(shù)碼管顯示出示值，LED 數(shù)碼管根據(jù) LED 的接法不同分為共陰和共陽兩類，了解 LED 的這些特性，對編程是很重要的，因為不同類型的數(shù)碼管，除了它們的硬件電路有差異外，編程方法也是不同的。將多只 LED 的陰極連在一起即為共陰式，而將多只 LED 的陽極連在一起即為共陽式，以共陰式為例，當(dāng)然，LED 的電流通常較小，一般均需在回路中接上限流電阻。而將a、b、d、e和g段都接上正電源，其它引腳懸空，此時數(shù)碼管將顯示“2” 。在放大和峰值保持部分的電路供電分別需要+12V，以及+112V 的供電方式，我選用自制電源模塊來提供電源。 報警輸出電路為提高課題設(shè)計的實用性，課題所設(shè)計所需報警輸出提供開關(guān)量信號及聲響信號兩種方式。方式二：報警信號由單片機 口輸出，提供聲響報警信號，電路由電阻 R三極管 BG蜂鳴器 BY 組成，當(dāng)測量值低于事先設(shè)定的報警值時，蜂鳴器發(fā)出“滴、滴、滴”報警聲響信號，測量值高于設(shè)定的報警值時，停止發(fā)出報警聲響。其中包括 keil 編譯環(huán)境以及 ARM 編程方法的學(xué)習(xí)、利用脈寬調(diào)制器（PWM）對步進(jìn)電機脈沖的控制與算法、利用計時器（ Timer）和 GPIO端口對電動機正反向的控制以及利用外部中斷的按鍵控制。開始數(shù)碼管顯示A/D 轉(zhuǎn)換功率檢測復(fù)位信號光功率檢測系統(tǒng)初始化功率10N Y 圖 整體流程圖系統(tǒng)初始化開始時，單片機開始工作，由光電探測器采集到的激光信號，通過系統(tǒng)的濾波電路，放大電路，峰值保持電路的作用輸出一個放大 50 倍的直流電壓信號，該直流信號通過 A/D0804 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的作用，將模擬信號轉(zhuǎn)換為單片機可以識別的數(shù)字信號，在進(jìn)行光功率檢測的過程中，如果功率值超過 10W，則功率檢測發(fā)出復(fù)位信號，單片機復(fù)位。并且系統(tǒng)中事先設(shè)定的報警系統(tǒng)將會啟動，蜂鳴器會發(fā)出“滴.. 滴”的響聲。在激光打標(biāo)機進(jìn)行打標(biāo)的時候，需要設(shè)定激光器發(fā)出的功率值的大小。在打標(biāo)的過程中，可以非常直觀的觀察到打標(biāo)的效果如何，以便出現(xiàn)問題時能夠及時作出調(diào)整。Keil Software公司推出的μVision3是一款可用于多種8051MCU的集成開發(fā)環(huán)境(IDE)，該IDE同時也是PK51及其它開發(fā)套件的一個重要組件。此外其內(nèi)置的仿真器可模擬目標(biāo)MCU，包括指令集、片上外圍設(shè)備及外部信號等。μVision3提供對多種最新的8051類微處理器的支持，包括AnalogDevices的ADuC83x和脈沖光纖激光器光功率計的設(shè)計與研究17ADuC84x，以及Infineon的XC866等。其主要特點如下：? 具有 Windows 風(fēng)格的可視化操作界面，界面友好，使用極為方便。? 集成了非常全面的單片機支持，能夠完成 51 系列單片機及和 51 系列兼容的絕大部分類型單片機的程序設(shè)計和仿真。? 提供了并口、串口、A/D、D/A、定時器/計數(shù)器及中斷等資源的硬件仿真能力，能夠幫助用戶模擬實際硬件的執(zhí)行效果。? 內(nèi)嵌 RTX51 Tiny 和 RTX51 FULL 內(nèi)核，提供了簡單而強大的實時多任務(wù)操作系統(tǒng)支持。? 支持多級代碼優(yōu)化，最大限度地幫助用戶精簡代碼體積。 軟件控制主程序課題通過軟件設(shè)置A/D0804的工作條件，同時完成對單片機的控制，將激光信號的電壓值轉(zhuǎn)化為功率值顯示在數(shù)碼管上，超出功率設(shè)定的上限值報警系統(tǒng)啟動。程序采用單片機的定時器產(chǎn)生一個時鐘，作為A/DC0804 的 CLK 時鐘。單片機 C 語言編譯軟件用著名 Keil C51 編譯器，Keil C51 是德國 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容單片機脈沖光纖激光器光功率計的設(shè)計與研究18C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C 語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用，本次 ADC 程序就是基于 Keil C 編寫出來的。硬件電路系統(tǒng)搭建完畢后，需要進(jìn)行軟件的編寫，兩部分結(jié)合起來進(jìn)行光纖激光器光功率計檢測與顯示的整體調(diào)試，本系統(tǒng)采用的是STC89C52單片機，通過在Keil開發(fā)環(huán)境下對其進(jìn)行軟件的編程，在整個系統(tǒng)開始時，需要設(shè)置A/D0804數(shù)模轉(zhuǎn)換的工作條件，在A/D0804芯片接收到信號時，A/D進(jìn)行信號的選擇，控制芯片的啟動和結(jié)果的讀取。且設(shè)定的報警系統(tǒng)將會啟動，蜂鳴器發(fā)出警報，如果檢測到的功率值始終小于10W，那么數(shù)碼管上將會顯示檢測到的功率值。由于課題的硬件部分只是進(jìn)行實驗，而非工業(yè)所用，所以應(yīng)盡量減小功率的顯示數(shù)值，這樣可以更好的保證芯片不會因為電壓過大而損壞。這時通過切斷電壓信號，保護(hù)系統(tǒng)中硬件的芯片。在軟件調(diào)試的過程中，如果功率檢測復(fù)位信號不能工作，即時系統(tǒng)斷電那么硬件電路中也會有少量電壓存在，這時只能通過手動進(jìn)行放電，所以功率的檢測復(fù)位環(huán)節(jié)在軟件的編程過程中是值得注意的環(huán)節(jié)。通過這樣的設(shè)計完成了一個高效多能的光功率檢測顯示系統(tǒng)，達(dá)到了一個采集系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。在實時測量中，因為采用了顯示延遲，能使使用者較方便地讀出測量量。因為電路較簡單，復(fù)位采用了上電自動復(fù)位方式，出現(xiàn)問題可以斷電重啟，方便簡單。也深刻的認(rèn)識到理論和實踐總是有差距的，需要我們不斷地去改進(jìn)和縮小。圖 系 統(tǒng) 調(diào) 試 平 臺 實 物 圖 實驗調(diào)試及分析 信號的濾波 激 光 光 電 探 測 器 是 由 激 光 器 發(fā) 出 的 頻 率 為 20kHz200kHz 的 激 光 信 號 ， 我 將 調(diào) 試 中 采 集 激 光信 號 以 及 放 大 濾 波 環(huán) 節(jié) 的 結(jié) 果 記 錄 下 來 作 為 參 考 依 據(jù) ， 在 畢 業(yè) 設(shè) 計 的 演 示 中 ， 由 于 沒 有 激 光 信 號的 發(fā) 射 裝 置 ， 所 以 需 要 通 過 信 號 發(fā) 生 器 模 擬 激 光 信 號 的 頻 率 、 輸 出 電 壓 ， 完 成 對 激 光 功 率 的 顯 示 ，因 為 激 光 信 號 的 輸 出 電 壓 和 顯 示 的 功 率 是 呈 線 性 的 關(guān) 系 ， 如 輸 入 1V 電 壓 ， 顯 示 功 率 為 1W。 系 統(tǒng) 帶 通 濾 波 電 路 濾 波 后 的 的 效 果 如 圖 所 示 。綜上考慮在放大這一環(huán)節(jié)，我設(shè)計了兩套放大電路的方案。效果沒有達(dá)到預(yù)期效果。在調(diào)試過程中通過第二套方案放大 50 倍之后的效果如圖 所示。 峰值保持電路效果圖 單片機處理及顯示部分該部分主要包括AD0804的數(shù)模轉(zhuǎn)換，單片機的軟件編程，數(shù)碼管的顯示以及報警系統(tǒng)的設(shè)置等幾部分，當(dāng)光電探測器采集的激光信號經(jīng)過濾波放大，峰值保持后將穩(wěn)定的直流信號輸送給AD0804的輸入端，經(jīng)過單片機的內(nèi)部識別轉(zhuǎn)化為功率值顯示在數(shù)