許 豪 ， 朱永虎 ， 曾 杰 ， 孫 立 ， 杜 柯

（1.南京航空航天大學(xué) 理學(xué)院，江蘇 南京 211100；2.南京航空航天大學(xué) 機電學(xué)院，江蘇 南京 211100）

20世紀90年代以來，光纖通信系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)得到了很大的發(fā)展，并引起了通信領(lǐng)域的一場變革。并且光纖通信遠遠優(yōu)于其他通信系統(tǒng)，光載波的頻率在約100 THz的數(shù)量級，使得其信息容量比微波系統(tǒng)高出10 000倍，調(diào)制帶寬可以達到約1 Tbps的量級，正是由于光通信系統(tǒng)具有如此巨大的帶寬潛力，才使得人們不斷研究和開發(fā)光通信系統(tǒng)[1]。

本文是普通高等工科類學(xué)校中，基礎(chǔ)性實驗教學(xué)科目所研制的 《音頻信號光纖傳輸實驗儀》創(chuàng)新實踐項目，是對原有同類型實驗教學(xué)儀器進行一次全新的技術(shù)性能的改進與綜合性使用功能的提升，實現(xiàn)了全數(shù)控、高可靠、多輔助配置等設(shè)計目標，獲得了更加準確、一致、穩(wěn)定的實驗效果，使得儀器的使用壽命增加，促使維修成本和實驗教學(xué)的管理成本降低，完善與提高了實驗教學(xué)的相關(guān)要求。

1 儀器的基本構(gòu)成

儀器主要由光纖、光發(fā)送器、光接收器以及相關(guān)接口電路等構(gòu)成。其中，光發(fā)送器的功能是將音頻信號轉(zhuǎn)換成光信號，然后發(fā)射到光纖內(nèi)傳輸。光接收器的功能是將光纖傳送過來的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，然后送入輸出設(shè)備[2]。

2 核心器件與電路

本系統(tǒng)控制芯片采用單片機AT89C51，光發(fā)送模塊采用HFBR-1414，光接收模塊采用HFBR-2416。

2.1 發(fā)光二極管HFBR-1414

HFBR-1414是一款低價位高性能的光發(fā)送器，來自于Avago Technologies公司的HFBR-0400系列。其組成的電路系統(tǒng)不需要專門設(shè)置編碼與譯碼電路，具有電路簡單且性價比高的特點。因而廣泛應(yīng)用于光纖模擬通信領(lǐng)域。

HFBR-1414光纖發(fā)送器內(nèi)部主要電路是一個AlGaAs發(fā)光二極管。其工作波長為820 μm，它滿足IEEE802.3以太網(wǎng)和802.5令牌環(huán)等多種標準。而且能與 50/125 μm、100/140 μm、62.5/125 μm 以及 200 μm 的多種型號的光纖適配，給了設(shè)計者帶來極大地靈活性選擇光纖。

HFBR-1414發(fā)送器的高耦合性，使得它能夠在極低的工作電流下驅(qū)動，因而能達到低功耗和高穩(wěn)定的效果。當其在60 mA的電流下驅(qū)動時，耦合進50/125 μm的光纖中時的光功率可達-15.8 dBm，耦合進62.5/125 μm的光纖時的光功率可達-12 dBm?？梢哉f對于大尺寸的光纖，它是個理想的選擇。

2.2 光電二極管HFBR-2416

HFBR－2416是一款低價高性能的光接插件，屬于Agilent公司生產(chǎn)的HFBR－0400系列。只需少量外部元件就能構(gòu)成光接收器，具有抗干擾能力強、體積小、重量輕等特點，廣泛用于模擬和數(shù)字光通信系統(tǒng)。

HFBR－2416光接收器內(nèi)部由PIN光電二極管和前置放大電路構(gòu)成，可以直接輸出較大的電信號，其典型帶寬高達125 MHz，工作波長為820 nm，與之相接的光纖可以為50/125 μm、100/140 μm、62．5/125 μm 以及 200 μm。 其波譜響應(yīng)不隨纖芯直徑為10 mm的光纖尺寸變化而變化。如圖1為其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖[3]。

圖1 HFBR－2416內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig．1 The internal structure of HFBR－2416

光接收器在工作時，在HFBR－2416的VCC與電源間需要連接一個10 Ω的限流電阻和0．1 μF的旁路電容以便去除電源噪聲。

2.3 數(shù)字電位器X9313

數(shù)字電位器一般由RDAC電路和數(shù)字輸入控制電路兩部分構(gòu)成[4]。與機械電位器相比，不但具有耐沖擊、抗振動、噪聲小、使用壽命長等優(yōu)點，而且更重要的是可由數(shù)字信號進行控制，可以方便地與計算機接口，由編程實現(xiàn)電阻的改變，從而實現(xiàn)數(shù)控功能。控制電阻部分采用X9313或者X9c10xp數(shù)字電位器，RL為底端，RH高端，RW為滑動端，通過內(nèi)部譯碼模塊的1腳、2腳等輸出端控制電阻變化[5]。其工作原理與電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 X9313結(jié)構(gòu)圖Fig．2 The structure of X9313

2.4 單片機AT89C51

系統(tǒng)采用全數(shù)字化控制方式，核心問題是同時控制4到5個數(shù)字電位器，考慮到研制成本與技術(shù)要求，采用單片機技術(shù)實現(xiàn)。AT89C51是一種低功耗/低電壓、高性能的8位單片機，片內(nèi)帶有一個4K的Flash可編程可擦除只讀存儲器（PEROM），它采用了CMOS工藝和ATMEL公司的高密度非易失性存儲器（NURAM）技術(shù)，而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與MSC－51兼容。片內(nèi)的Flash存儲器允許在系統(tǒng)內(nèi)可改編程序或用常規(guī)的非易失性存儲器來編程。所以說，ATM89C51是一種功能強，靈活性高且價格合理的單片機，可方便地應(yīng)用在各種控制領(lǐng)域。

3 系統(tǒng)電路組成

3.1 電源電路

系統(tǒng)電路需要12 V、9 V、6 V和5 V的正負直流電壓。采用了一對12 V的開關(guān)電源，將220 V的交流電壓轉(zhuǎn)換成正負12 V的直流電壓，再利用了LM系列穩(wěn)壓芯片進行穩(wěn)壓輸出，提供給相應(yīng)的單元電路。

3.2 光發(fā)射電路

3.2.1 前置電路

前置電路具有信號濾波與放大的基本功能，電路如圖3所示。

圖3 前置電路Fig．3 Preposition circuit

在音頻信號傳輸系統(tǒng)中，為了保證聲音品質(zhì)高保真的傳輸效果，系統(tǒng)通道具有高性能的信噪比要求，使合理頻率范圍內(nèi)的有效信號獲得高增益，同時抑制各種干擾噪聲，保持信號傳輸不失真，系統(tǒng)抗干擾能力增強。如圖6所示設(shè)計的濾波與放大前置電路，起到對信號預(yù)處理的作用。

根據(jù)理想運放的放大原理，其放大倍數(shù)為G=1+Z2/Z1。Z2是電路的反饋阻抗，Z1是電路的接地阻抗。由于電容具有通交隔直的作用，小電容C3就會截止高頻信號，反之大電容C2會限制低頻信號，所以調(diào)整C2和C3的參數(shù)值，就會產(chǎn)生所需要的中頻信號。因此合理的選擇電阻和電容值，對于系統(tǒng)技術(shù)性能的好壞有著很重要的作用。

3.2.2 LED調(diào)制驅(qū)動電路

LED發(fā)光二極管是典型的電流控制器件，電光轉(zhuǎn)換取決于其P－I特性，為了獲得最佳的轉(zhuǎn)換結(jié)果，驅(qū)動電路必須為之提供理想波形的電流信號。因此，采用最便捷的方式是將驅(qū)動電路設(shè)計成為受輸入信號控制的電流源[6]。由圖7所示，把三極管與LED相連接，形成對LED直接驅(qū)動作用。

整個電路以三極管為核心構(gòu)成LED的調(diào)制驅(qū)動功能。調(diào)節(jié)電路中的P2可使LED的偏置電流在0～50 mA的范圍內(nèi)變化。音頻信號由前一運放所構(gòu)成的音頻放大電路放大后再經(jīng)一跟隨器后，通過電容器C4耦合到三極管的基極，形成對LED工作電流的調(diào)制，使得LED發(fā)送出光強隨音頻信號變化的光信號，并經(jīng)光導(dǎo)纖維把這一信號傳至接收端。同時，電流表將會顯示偏置電流的大小。

圖4 LED調(diào)制驅(qū)動電路Fig.4 LED modulation-drive circuit

3.3 光接收電路

3.3.1 光電轉(zhuǎn)換

SPD二極管將光纖輸出端的光信號（即光功率P0）轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之成正比的光電流If，經(jīng)接收器中由運算放大器構(gòu)成的I/U轉(zhuǎn)換電路完成光電流轉(zhuǎn)換成電壓信號U的輸出，Ul與If之間的關(guān)系為U1=RIf。

3.3.2 光信號放大

如圖5所示，在測量光電二極管的光電特性時，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后的電信號經(jīng)過運算放大器放大，通過光功率計測量光功率P0，光功率計是來衡量光信號轉(zhuǎn)換成電信號的效率。通過調(diào)節(jié)R13可以對光功率計進行調(diào)零。

圖5 光電二極管特性測量電路Fig.5 SPD characteristic measuring circuit

3.3.3 音頻信號放大

電路如圖6所示。集成運放采用LF356N型電路芯片，具有低電壓、功耗低、噪聲小、很大帶寬的放大器。其特點為低輸入偏置電流和補償電流，低輸入補償電壓和補償電壓漂移。

圖中LF356N采用雙電源+9 V和-9 V供電工作，進行一級信號放大，電壓放大倍數(shù)Auf=-R11/R1≈21，放大后的電信號再經(jīng)后續(xù)功率放大電路完成音頻功率輸出，推動揚聲器發(fā)出清晰動聽的悅耳聲音。

3.3.4 功率放大電路與輸出

圖6 音頻信號放大電路Fig.6 Signal amplication circuit

電路如圖7所示。功放電路采用的是TDA2030A做成的OTL式集成芯片，采用單電源，具有輸入耦合電容大，輸出電流大，諧波失真和交越失真小等特點。同時兼有優(yōu)良的短路的過熱保護電路。 圖中的R5（150 k）和 R4（4.7k）的電阻大小決定放大器的閉環(huán)增益，R4的電阻愈小增益就愈大，但是增益太大也容易導(dǎo)致信號失真，所以R4的阻值要選擇合理。兩個限流二極管IN4001接在電源與輸出端之間，是為了防止揚聲器感性負載反沖而影響音質(zhì)。電容C7（0.1 μF）與電阻R6（1 Ω）是對感性負載（喇叭）進行相位補償進而消除自激。電解電容C1、C2對輸入信號有濾波作用。

圖7 集成功率放大電路Fig.7 Integrated circuit power

輸入端的滑動變阻器R的作用是來控制音量，通過改變其輸入阻值大小來調(diào)節(jié)音量大小。

3.4 波形發(fā)生器

波形發(fā)生器以ICL8038芯片為基礎(chǔ)，是一個用最少的外部元件就能生產(chǎn)高精度正弦、方形、三角、鋸齒波和脈沖波形的單片集成電路。頻率 （或重復(fù)頻率）的覆蓋范圍從0.001 Hz到300 kHz，可以選用電阻器或電容器來調(diào)節(jié)。調(diào)頻及掃描可以由同一個外部電壓完成。ICL8038精密函數(shù)發(fā)生器是采用肖特基勢壘二極管等先進工藝制成的單片集成電路芯片，輸出由溫度和電源變化范圍而決定。芯片與鎖相回路作用，具有在發(fā)生溫度變化時產(chǎn)生低的頻率漂移，最大不超過250 ppm／℃。

4 控制程序

旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)通過89C51控制數(shù)字電位器，通過順時針或者逆時針旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)電位器電阻增減。旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)旋轉(zhuǎn)方向不同時輸出脈沖不同，如圖8所示。

圖8 正、反輸出波形Fig.8 Wave of clockwise and counter clockwise rotation

通過A與B兩引腳高低不同來確定UD是高平還是低平，按照這個思路設(shè)計程序如下：INC為下降沿觸發(fā)，UD為0時電位器阻值減少，UD為1時阻值增加：

#include

#include

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

sbit INC_1=P1^7；

sbit UD_1=P1^6；

sbit CS_1=P3^0；

sbit CA_1=P2^7；

sbit CB_1=P2^6；

void delay（uint z）

{

uint i，j；

for（i=z；i>0；i--）

for（j=110；j>0；j--）；

}

void setA（uint x，uchar y ）

{

uchar i；

INC_1=1；

_nop_（）；

CS_1=0；

_nop_（）；

UD_1=y；

for（i=0；i

{

INC_1=1；

_nop_（）；

_nop_（）；

INC_1=0；

_nop_（）；

_nop_（）；

}

}

void CodingsWitchPolling_1（void）

{

static uchar Aold_1，Bold_1；

static uchar st_1=0；

static uint tmp_1=0；

uchar u；

if（CA_1&&CB_1）

st_1=1；

if（st_1）

{

if（CA_1==0&&CB_1==0）

{

if（Bold_1）

{

st_1=0；

u=1；

if（tmp_1==31）

tmp_1=0；

else

tmp_1++；

setA（1，u）；

}

if（Aold_1）

{

st_1=0；

u=0；

if（tmp_1==0）

tmp_1=0；

else

tmp_1--；

if（tmp_1<0）

tmp_1=-tmp_1；

setA（1，u）；

}

}

}

Aold_1=CA_1；

Bold_1=CB_1；

}

void main（）

{

setA（31，0）；

while（1）

{

CodingsWitchPolling_1（）；

delay（5）；

}

}

5 結(jié)束語

全數(shù)字化控制方式設(shè)計與實現(xiàn)，新型電子器件的采用，解決了目前使用儀器存在許多問題?，F(xiàn)代電子技術(shù)綜合利用，使得整套裝置煥發(fā)出新的生命力，促成儀器具有了更好的可靠性、更高的準確性、更長的耐用性。

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