電流電壓變換 - 一種基于STM32的光功率計的設計與實現(xiàn)

設計中選用重慶某公司的光電探測器，其主要的性能指標如表1所示。

表1INGAAS－PIN光電探測器主要性能參數(shù)

3．2、電流電壓變換

光電探測器將光信號轉變?yōu)殡娏餍盘枺O計前端使用一個I／V變換電路采集電流信號，并轉換為相應的電壓信號，一個電流－電壓轉換器（I／V轉換器）也稱為跨阻放大器［7］（TRANSRｅSISTANｃｅAMPｌIｆIｅR），它接受一個輸入電流I，并形成為V＝AI的輸出電壓，這里A是電路增益，以V／A計。參照圖3，假設運算放大器是理想的。在虛地節(jié)點將電流相加給出－IS＋（V－0）／R＝0，即：

V＝RIS（2）

R是電路增益，增益的幅度稱為該轉換器的靈敏度。

圖3 ?I／V轉換電路

圖3中光電二極管工作在零偏置電壓狀態(tài)，這種狀態(tài)稱為光電模式，其他可以工作在加反向偏置電壓的光電導模式，光電導模式能提供較高的速度，從而更適合高速光脈沖和高頻光速調制中的應用。光電模式則可提供較低的噪聲，更低的暗電流，適合于測量和儀器儀表方面的應用。

3．3、程控放大

考慮到采集的光功率信號范圍比較大（NW～MW），當放大器增益固定時，會出現(xiàn)小信號無法得到有效放大而降低A／D的有效精度，同時由于光電探測器在同一波長的不同光強下對光的響應不是線性的，固定增益測量會出現(xiàn)非線性誤差。解決方法是對小信號輸入采用高倍放大，對大信號輸入采用低倍放大，根據采集到的信號大小，自動改變增益和衰減，切換到合適的量程，即在放大電路中使用量程自動切換技術，在檢測范圍內將光功率按照光強不同分為八段，每一段對應一個量程，這種技術可以有效消除測量時的非線性誤差，在增加測量的動態(tài)范圍的同時，提高了測量的精度。

在選擇多路模擬開關時，主要從通道數(shù)、切換速度和導通電阻幾個方面進行考慮，考慮到舌簧繼電器的切換速度比較慢，選擇了半導體多路模擬開關，設計時選用美信公司的8路高速模擬開關MAＸ4051，但是其100Ω導通電阻比較大，會影響信號的處理，必須想辦法消除它的影響。設計中避免從放大器的輸出端采樣電壓，而是通過增加一個多路模擬開關，用它直接采樣反饋電阻輸出端電壓，并送給后級電路處理。如圖4所示。

在這個電路中R1和R2代表兩個多路模擬開關的導通電阻，它們大小相等，Rｆ是反饋電阻，ID是光電流。分析這個基本電路可知，如果不存在R1導通電阻，可以很容易得到V0的計算公式為：

V0＝（Rｆ＋R2）ID（3）

根據放大器輸入端的“虛斷”原理，放大器的反向輸入引腳沒有電流流過，而是全部加在反饋電阻Rｆ上，那么可以很容易計算出VN為：

VN＝RｆID（4）

由式（3）可知，V0的計算值中包含了多路模擬開關的導通電阻R2，是一個干擾因素，而VN點的電壓正是我們希望采樣的信號值，故在該節(jié)點連接另一個多路模擬開關采集信號，它仍然存在導通電阻R2，但此時V1的幅值和VN大小相等，即：

V1＝VN＝RｆID（5）