光纖應(yīng)用中的監(jiān)視器校準(zhǔn)

本應(yīng)用筆記重點(diǎn)介紹光模塊的SFF-8472和XENPAK標(biāo)準(zhǔn)。它顯示了光電探測(cè)器增益的變化如何影響測(cè)量的功率水平。光電探測(cè)器針對(duì)光纖應(yīng)用進(jìn)行了校準(zhǔn)。圖中顯示了光收發(fā)器監(jiān)視器的內(nèi)部和外部校準(zhǔn)方法。內(nèi)置DS1852光收發(fā)器診斷監(jiān)視器。

光纖標(biāo)準(zhǔn)，如SFF-8472和現(xiàn)在新興的XENPAK標(biāo)準(zhǔn)，要求監(jiān)測(cè)關(guān)鍵光纖信號(hào)，如偏置電流（mA）、發(fā)射功率（mW）和接收功率（mW）。發(fā)射和接收功率通過(guò)光電探測(cè)器進(jìn)行監(jiān)控，光電探測(cè)器的電流用作功率水平的量度。不同器件的光電探測(cè)器增益差異很大，使得在沒(méi)有校準(zhǔn)的情況下使用這種測(cè)量是不可靠的。

需要校準(zhǔn)

圖1顯示了測(cè)量數(shù)據(jù)在監(jiān)控發(fā)射功率期間所遵循的路徑。光輸出通過(guò)光電探測(cè)器的響應(yīng)度（mA/mW）轉(zhuǎn)換為電流。該電流通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，然后放置在2-Wire總線上，以便主機(jī)輕松訪問(wèn)。光電探測(cè)器的響應(yīng)度可能因部件而異，差異高達(dá)10倍。因此，在原始未校準(zhǔn)的環(huán)境中，主機(jī)在相同的發(fā)射功率下將獲得明顯不同的數(shù)據(jù)值，具體取決于光電探測(cè)器增益。

圖1.

校準(zhǔn)可確保從輸入到輸出之間存在一對(duì)一的對(duì)應(yīng)關(guān)系。例如，無(wú)論光電探測(cè)器的類型或特性如何，1mW的發(fā)射功率都會(huì)產(chǎn)生相同的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)值。此外，標(biāo)準(zhǔn)將通過(guò)明確定義主機(jī)的滿量程讀數(shù)來(lái)施加縮放要求。簡(jiǎn)而言之，測(cè)量的準(zhǔn)確性是通過(guò)校準(zhǔn)來(lái)保證的，秤是由標(biāo)準(zhǔn)定義的。

校準(zhǔn)實(shí)施

在DS1852中，校準(zhǔn)可以在內(nèi)部或外部實(shí)現(xiàn)。

內(nèi)部校準(zhǔn)可以與可編程增益進(jìn)行比較，如圖2所示。單點(diǎn)校準(zhǔn)在用戶的工廠測(cè)試車(chē)間執(zhí)行。這需要將信號(hào)最好提高到滿量程左右的水平，然后對(duì)內(nèi)部校準(zhǔn)寄存器進(jìn)行編程，直到數(shù)字值Nad按預(yù)期讀取。SFF-8472標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了以下每個(gè)信號(hào)的內(nèi)部校準(zhǔn)范圍和分辨率值：電源電壓、偏置電流、發(fā)射功率、接收功率。設(shè)置此校準(zhǔn)后，每個(gè)傳入的原始數(shù)據(jù)點(diǎn)都會(huì)相應(yīng)地放大，而無(wú)需用戶的任何干預(yù)，輸出與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)模一致的數(shù)字值或計(jì)數(shù)。因此，使用術(shù)語(yǔ)內(nèi)部校準(zhǔn)。

圖2.

外部校準(zhǔn)是DS1852、DS1854、DS1857和DS1858的特性。圖 3 說(shuō)明了它的工作原理。IC的數(shù)字輸出Nad未校準(zhǔn)。用戶依靠具有計(jì)算能力的設(shè)備（如微控制器）從DS185X IC檢索校準(zhǔn)常數(shù)并進(jìn)行計(jì)算。SFF-8472標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)外部校準(zhǔn)進(jìn)行了解釋，分為兩大類：線性和非線性。在線性情況下，需要兩個(gè)常數(shù)，一個(gè)用于失調(diào)，一個(gè)用于增益;對(duì)于每個(gè)原始數(shù)據(jù)點(diǎn) x，計(jì)算校準(zhǔn)值 y = ax + b。非線性情況涉及 （n +1） 系數(shù)，n 是最高冪。例如，y = ax4+ bx3+ 客戶體驗(yàn)2+ dx + e 是接收功率的建議公式。

圖3.

傳遞函數(shù)

無(wú)論采用哪種方法，A/D的結(jié)果都是兩個(gè)傳遞函數(shù)的乘積，第一個(gè)是要測(cè)量的參數(shù)與施加到A/D的電壓之間的關(guān)系。在發(fā)射功率的情況下，這是光電探測(cè)器的響應(yīng)。

VAD = f1 ×參數(shù)，其中參數(shù)是要測(cè)量的參數(shù)，f1是轉(zhuǎn)換過(guò)程的傳遞函數(shù)，VAD是A/D的電壓輸入。

F1只是模塊內(nèi)電路的函數(shù)，用于得出指示測(cè)量參數(shù)的電壓。

第二個(gè)是輸入到A/D的電壓與校準(zhǔn)結(jié)果之間的關(guān)系。

NAD = 增益× VAD + 偏移，其中 NAD 是 A/D 的數(shù)字輸出，增益是比例因子。

因此，總體而言，傳遞函數(shù)為 NAD = f1 ×增益×參數(shù) + 偏移。DS1852的內(nèi)部校準(zhǔn)沒(méi)有失調(diào)規(guī)定。在這種情況下，NAD = f1 ×參數(shù)×增益。

內(nèi)部校準(zhǔn)

該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)內(nèi)部校準(zhǔn)的NAD施加了額外的限制。它要求 NAD = f2 ×參數(shù)，其中 f2 是由標(biāo)準(zhǔn)定義的縮放約束，以便對(duì)所有應(yīng)用程序使用一個(gè)通用縮放。

例如，Tx 輸出功率定義為參數(shù) （mW） = NAD × 0.0001，或 f2 = 10，000。

反過(guò)來(lái)，這將 f1 ×增益的乘積限制為 10，000。

由于 f2 = f1 ×增益，因此增益的值（假設(shè) f2 是標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定的通用值）通常取決于 f1，即模塊內(nèi)的電路。例如，將電流轉(zhuǎn)換為電壓的電阻器通常與激光監(jiān)控光電二極管串聯(lián)使用，以實(shí)現(xiàn)APC功能。因此，在傳輸功率監(jiān)控的情況下，電阻兩端的電壓（激光驅(qū)動(dòng)器的反饋電壓）也是 A/D、VAD 的輸入。改變電阻值（f1的一個(gè)元件）需要改變?cè)鲆嬷?，以便最終它們的乘積是恒定的，并且遵守標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)度。

對(duì)于DS1852，增益由12個(gè)粗縮放位和<>個(gè)細(xì)縮放位組合設(shè)置。附錄 A 中介紹了設(shè)置這些位的過(guò)程。

外部校準(zhǔn)

這里最大的區(qū)別在于，如果信號(hào)電平非常低，則除了噪聲之外，f1和增益的乘積沒(méi)有限制。NAD的值有些任意，因?yàn)樽罱K校準(zhǔn)結(jié)果不受標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的精度格式的約束。內(nèi)部校準(zhǔn)就是這種情況，其中精度格式為16位固定。用戶必須對(duì)此結(jié)果執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算，以將其轉(zhuǎn)換為校準(zhǔn)單位（計(jì)數(shù)）。執(zhí)行此操作所需的常量存儲(chǔ)在內(nèi)存中。SFF-8472 文檔中詳細(xì)介紹了校準(zhǔn)常數(shù)的使用。對(duì)于線性關(guān)系，校準(zhǔn)計(jì)數(shù) = NAD ×校準(zhǔn)常數(shù)1 + 校準(zhǔn)常數(shù)2。

至少在使用DS1852的情況下，這種方法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以調(diào)整A/D，使?jié)M量程計(jì)數(shù)對(duì)應(yīng)于該特定產(chǎn)品的最大模擬信號(hào)值，而不僅僅是標(biāo)準(zhǔn)定義的值。例如，如果模塊設(shè)計(jì)的最大發(fā)射功率為1mW，則可以調(diào)整A/D，使1mW產(chǎn)生FFFFh的輸出。在這種情況下，可實(shí)現(xiàn)的最佳分辨率為0.02μW（1mW的65536/1），而SFF-0標(biāo)準(zhǔn)的“內(nèi)部校準(zhǔn)”模式下為1.8472μW。

用戶需要確保其計(jì)算引擎不受外部校準(zhǔn)的16位固定精度的限制。如果是這種情況，則放棄本節(jié)中概述的分辨率優(yōu)勢(shì)。需要 32 位固定精度或浮點(diǎn)精度來(lái)保持這一優(yōu)勢(shì)。

校準(zhǔn)常數(shù)是在生產(chǎn)過(guò)程中為每個(gè)被測(cè)模塊和每個(gè)被監(jiān)控通道得出的。這些常數(shù)存儲(chǔ)在DS185X IC的EEPROM存儲(chǔ)器中，以便以后用于校準(zhǔn)。需要（n + 1）點(diǎn)校準(zhǔn)才能提取這些系數(shù)，其中n是校準(zhǔn)方程的階數(shù)。對(duì)于線性擬合，需要兩個(gè)系數(shù)，一個(gè)用于增益，一個(gè)用于偏移：y = ax + b。用戶逐漸增加其設(shè)置，直到達(dá)到信號(hào)點(diǎn)1（即發(fā)射功率）。讀取 X1（A/D 原始計(jì)數(shù)）;Y1 是標(biāo)準(zhǔn)推薦用于對(duì)應(yīng)于信號(hào)點(diǎn) 1 的數(shù)字讀數(shù)的值。同樣，確定信號(hào)點(diǎn) 2 的 x2 和 y2。測(cè)試器導(dǎo)出a和b，并將它們存儲(chǔ)在DS185X IC的存儲(chǔ)器中。

審核編輯：郭婷