毕业设计（论文）-多组光纤电源的接收电路设计.doc

济南大学毕业设计毕业设计题 目 多组光纤电源的接收电路设计 学 院 机械工程学院 专 业 机械制造及自动化 班 级 机升0902 学 生 郭 玮 学 号 20090404018 指导教师 门 秀 花 马 玉 真 二一一年 五月 二十九 日- 18 -济南大学毕业设计1 前 言1.1研究背景就目前而言，在实际的运用中，光纤通信技术相当有前途的通信技术其中之一，该技术现在已成为现代化通信技术之中非常重要的一大支柱。作为新一代全球信息技术革命的伟大标志之一，光纤通信技术已经成为当今这个信息社会中各种复杂且多样的信息的重要的传输媒介，并且深刻的、广泛的影响和改变了信息网架构的部分甚至整体面貌，以现代信息社会中最坚实的通信媒介的身份，向世界人展现了它无限的美好发展前景。自上世纪中期光纤通信技术诞生并在全球扩展以来，整个的信息领域和通讯领域发生了巨大的、本质的、革命性的大变革，光纤通信技术是以光波作为信息的传输载体，以光纤元气件作为信息传输的媒介，因为信息的传输频带比较宽，所以它拥有的特点主要是:通信水平达到了高速率和大容量，并且损耗低、体积小、重量轻，还拥有抗电磁干扰和不易串音等多个优点，从而广泛受到通信领域的专业人士的青睐，发展的势头也异常迅猛。1.2研究意义如今，光纤通信技术已作为一种极其重要的现代信息的传输技术之一，在当今的信息社会的背景下得到了广泛意义上的应用，在全球的通信领域已及其相关行业都在全球处于相对低迷的状态时，光纤通信技术却仍然得到了一些长足的发展。依照我国的现行通信技术的领域发展模式，光纤通信技术的应用必定会代替或部分代替其他的信息技术的传送方式，从而成为在未来通信领域的发展中的主流技术，并带领全人类进入全光纤时代!正如大家所知，光纤通信技术已经成为当今世界的主流，而如何更好的发挥出光纤通信技术的优势关键还要看光源发生器、光缆和光接收机的性能好坏。在这其中光接收机的性能好坏决定了光纤通信最终通信质量的成败，故一个好的光接收机对光纤通信性能的优劣有直接的影响。1.3 国内外研究现状近来十几年，光纤通信技术已有了长足进展。其中，新技术也不断的被发掘，这大大提高了我们传统意义上的通信的能力，这也使得光纤通信技术在更大的更广阔的范围内得到了发展和应用。光纤通信技术指的是把光波作为一种信息传输的载体，以光导纤维作为信息的传输媒介，将需要传送的信息进行点对点的发送的现代通信的方式。光纤通信技术的诞生以及其深入的发展是信息通信史上的一次重大的改革。光纤通信技术它从理论的提出到在工程领域的技术实现，再到如今的高速光纤通信技术的实现，前后共经历了大约五十年的时间。从上世纪的六十年代中期开始的光纤通信技术其最早起源于国外，当时所研制的光纤其损耗竟高达400分贝/千米。后来，英国的标准电信研究所便提出了，在理论上的光纤损耗是能够降低到20分贝/千米的。然后，日本紧接着便研制出了通信光纤损耗达到100分贝/千米，再然后康宁公司根据粉末法研制出损耗控制在20分贝/千米以下的光纤石英通信电缆，直到最近的石英掺锗的光纤通信电缆的损耗已降低至0. 2分贝/千米，已经接近了光纤石英通信电缆光纤理论上提出的最低损耗极限。由于以上的光纤通信技术的伟大贡献，现在我们可以把光纤通信技术大致分为五个阶段，即波段为850纳米波段的多模光波，到波段为1310纳米多模光纤，到波段为1310纳米单模光纤，再到波段为1550纳米单模光纤，最后是用于长距离进行传输的光纤通信技术。1.4研究内容本次设计主要研究的内容包括对低频信号的信号采集和信号放大；对采集的信号进行传输；对采集的信号进行模数转换；对模数转换后的信号进行传输。在本次设计中，应用场合为环境条件一般，使用效率较低且不经常维护的地方。掌握光纤接收原理，采用单片机原理设计整个软硬件平台，实现短距离光纤接收信号系统的输入与输出，并能有效识别出输入信号的性质。最终由试验测试进一步的验证设计电路的有效性。该系统的指标如下：1 系统可接收多路光纤信号；2 系统可将光信号进行有效的放大，使后续处理机器可以识别；3 系统可将模拟信号转换成0-5V数字电信号，并输出给下一级系统。2.2 光接收电路系统设计2.1设计内容一个完整的用于光纤通信的系统应该包括有电接口、光发射机、光纤通道、中继器，以及光接收器等，如图2.1所示，为一个完整的光纤通信系统的工作简图。图2.1 光纤通信系统其中，光接收机可以把来自于光纤的光信号转变成电信号，再经过放大、整形、再生之后再输出。对于像中长距离的光纤通信系统，还需要安装有中继器，中继器的作用就是把经过长距离的光纤通信发生衰减和畸变后的已经微弱的光信号经过放大和整形，再生成为高强度的、低失真的光信号，然后继续向后传送， 以此来保证系统有良好的通信环境和通信质量。光接收机作为光纤传输系统中的非常重要的一个组成部分，光接收机的性能技术指标将作为整个的数字光纤通信系统性能技术指标的综合性的体现。在光纤通信的整个系统之中，光接收机的主要任务是用最小的附加噪声和最小的失真，将已经经过光纤传输的、产生衰减和畸变的微弱的光脉冲信号，将这微弱的信号经过光/电转化变换成电脉冲的信号，并将电脉冲信号加以放大、均衡和定时再生，然后还原为和发送端相同形式的数字型脉冲信号。因此，作为一个高性能的数字型光接收机应该具有尽较高的灵敏度，用以适应中长距离型的中继型传输的要求。图2.2所示为一个光接收机的简单的系统组成。图2.2光纤接收机组成本次的目的是利用现有的资源来设计一个“多组光纤的接收电路”。光纤接收单元的电路包括光信号接收单元和信号放大单元，同时，为了将采集来的信号传输给下一级的单元（单片机或PC机等），应对信号进行初步的信号处理，即模数转化，模数转化单元将把模拟电信号转化成数字电信号并传输给下一级。如图2.2所示，数字光接收机的组成主要包括：1. 光检测器件：目前的光纤通信中最常用的光电二极管主要有APD和PIN两种，光电二极管主要用来实现光/电转换。2. 前置放大与主放大器：用来实现将输入端电信号放大到足够辨别的电平，输出给下级均衡器。3. 均衡器：用来实现将电信号均衡成升余弦波信号，并排除码间干扰和减少噪声影响，以利于判决。4. 定时判决：用来实现把上级均衡后的信号波形进行判决、再生产生原来的波形。5. 定时提取：用来实现在接收信号里提取出时钟信号。6. 解码与解扰：解码与解扰是作为先发端执行的编码和扰码所对应的逆过程。7. AGC：用来实现当光纤传输系统以及其光检测器件的特性随着时间以及工作条件的变化而引起输出变化时，自动增益控制（AGC）电路将控制放大器产生增益，使输出信号波形维持不变。8. 偏压控制：APD偏压可达50-200V，因此需要用变换器将低压变成高压。PIN管需要偏压10-20V，因此可以不使用偏压电路。由于传输给光接收机的信号已经非常微弱，所以怎样提高光接收机自身的灵敏度、降低光接收机输入端所产生的噪声无疑是研究光纤接收机的一个主要问题。光检测器与前置光放大器对光纤接收机的性能有关键性的影响。对光接收机来说，表征其性能的指标主要有信噪比、接收灵敏度、误码率、接收灵敏度及动态范围。而这些指标几乎与光检测器与前置光放大器电路有直接关系。2.2光接收机的主要电路首先，为了使光纤接收机正常运转并且性能可靠，应首先决定光纤接收电路的基本形式。2.2.1光/电转换器件光电二极管（PD）或光探测器作为光/电转换器件，它们的主要作用就是利用这些元器件的光电效应是把发送来的光信号转化为电信号。在光纤通信系统中，对于光/电探测器的主要要求就是：灵敏度高、响应快、噪声小、成本低廉以及可靠性高。光敏二极管与半导体二极管两者在结构上是非常类似的,两者管芯都是一个具有高光敏特征型PN结，该PN结具有单向的导电性，因此，二极管工作时需要加上反向偏置电压。在无光照条件下,二极管有很小的反向饱和漏电流,也即常说的暗电流，此时，二极管处于截止状态。当二极管受到光线照射时,反向饱和漏电流会大大增加，从而形成有害的光电流,它会随着入射光线光照强度的变化而发生变化。当光线照射在PN结上时，会使PN结上产生电子/空穴对，这会使少数载流子在PN结中的密度增加。而这些载流子会在反向偏置电压的作用下发生漂移，使得反向偏置电流明显增加。因此，可以借助光照强弱的变化来改变光纤通信电路中的光电流。光电二极管包括真空管和充气光电管两种。真空光电管由一个阴极和一个阳极密封于真空玻璃管内构成。阴极通常是由用逸出功小的光敏材料涂敷在玻璃管内壁做成，阳极通常由金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。当光线照射在阴极上时，便会有电子逸出，在外电场力作用下电子飞向阳极形成电流，从而在电阻上形成压降输出。雪崩二极管的PN结具有单向导电性，PN结正向电阻很小，反向电阻则很大。当二极管反向电压增大到一定数值时，反向电流会突然增加。这就是常说的反向电击穿。它分为雪崩击穿和齐纳击穿。雪崩击穿是PN结的反向电压增大到一数值时，载流子发生倍增就像雪崩一样，增加得多且快。利用这个特性制作的二极管就是雪崩二极管 。雪崩二极管作为一种负阻器件，其特点是输出功率大，但噪声也很大。主要噪声来源于雪崩噪声，由于在雪崩倍增过程中，二极管产生的电子和空穴具有无规则性所引起的，其性质和散弹噪声类似。雪崩噪声是雪崩二极管振荡器的噪声远高于其它振荡器噪声的主要原因。从价格和性能上考虑，PIN二极管价格最低，但是若以性能来评判则雪崩二极管性能最好。2.2.2偏置电路及偏置电路形式PIN管或APD管是用在反偏状态下。检测器的偏置电路一般有如图2.3（a）（b）所示两种。图2.3(a)电路的优点是，检测器的一端接地。如果检测器的外壳和这一端的端子是联通的，则检测器有接地的外壳屏蔽，不易受到外界干扰。但图2.3（b）的电路不能实现上述功能，除非它采用具有外壳单独引线的检测器件。图2.3（a）在APD管做检测器的情况下，要求对耦合电容C应具有极其良好的绝缘性，因为APD管两端应有50-200V的电压，如果有少量的漏电会使前置放大器的工作点漂移，严重时则会损坏输入级。图2.3（b）的电路则没有这种缺点。(a) 检测器一端接地偏置电路 (b)检测器不接地偏置电路 (c)采用直接耦合的偏置电路(d)采用直接耦合的偏置电路图2.3检测器偏置电路2.2.3耦合电路一般的光检测器与前置放大器的连接可以采取电容耦合与直接耦合两种方式。采用电容耦合时，前置放大器的工作点是不受检测器偏置的影响的，因此调整方便。但是，电容耦合电路很可能会使其接收机的正常工作情况受到影响。实际上，如果随机的脉冲信号码流出现长连“1”或出现长连“0”码时，耦合电容C上所存储的电压就会产生差别，从而会使APD二极管的工作偏压发生改变。因为APD二极管的倍增会对偏压产生变化且十分敏感，其结果是会使光接收机输出的信号的码流情况做随机的起伏变化。采用直接耦合电路，如图3.3（c）（d）所示，就可以避免上述恶果，但APD二极管的偏压需要精心调节，以避免破坏前置放大器的工作点。对用PIN二极管做为检测器的光接收机，因为其偏压很低，又没有倍增，所以不存在以上问题。2.2.4温度补偿APD二极管的倍增、工作点都会随着温度的变化而变化。一般情况下，为了保证APD二极管有足够大的倍增，工作点总是略低于其击穿点UB。因此，由于其工作温度会有升高或降低，如果采用固定偏压，那APD二极管可能会发生倍增的降低或发生击穿现象。为了防止上述现象发生，可以采用对工作点的温度补偿电路，见图2.4(a)(b)。图2.4(b)采用由高反压稳压管及二极管做温度补偿电路。也可以用一支APD高反压稳压管，可以得到比较理想的温度补偿效果。图2.4(a)采用热敏电阻做为温度补偿电路。因为高反压管比较容易损坏，而热敏电阻的可靠性高，但必须精心的补偿。由于目前的APD二极管产品一致性比较差，所以并不常用调整工作比较，所以补偿调整的工作比较麻烦。 (a)热敏电阻补偿 (b)高反压管补偿图2.4 APD工作点的温度补偿电路2.2.5恒流偏置电路恒流偏置电路如图2.5所示，它可以有效减免温度对APD工作点的影响。其中，恒流源能提供恒定的电流IO。去耦电容C再交变后的光信号的平均光功率已经是常数的条件下，应保证在工作时的全部频带内提供恒定的APD二极管偏置电流。实际上，交变的光信号在照射到APD二极管上引起的交变电流是由电容C的充放电来提供的。这就是恒流偏置电路的工作原理。图2.5 恒流偏置电路恒流偏置电路其对温度又有自适应的作用，因为，恒流源能始终维持APD二极管上平均的电流不变。如果其温度发生了变化，则APD二极管上的电压就会自动改变以维持其流过APD二极管的平均电流不变。本次试验的目标是设计一个多组光纤信号的光接收机，该接收机是针对低频的、小功率的信号设计的，因此，考虑到这个光接收机的应用场合和设计目标，出于节约成本等考虑故选用单线传输单一数据的方式，多组数据由多线并行传输的方法。2.2.6前置放大器前置放大器作为光接收机的几个关键部分之一，它的性能好坏将直接影响到接收机的灵敏度。前置放大器主要的类型有以下三种情况。1. 低阻型前置放大器用普通的晶体管来作为前置的放大器，如图2.6（a）所示。它的特点就是其线路比较的简单，它的输入级的阻抗比较低，输入级的电路的时间常数RC应该远小于它的信号的脉冲宽度，以此来防止它的电路产生码间的干扰，如图2.7所示。因此，这种类型的接收机是不需要，或者只需要很少的均衡的。同时，其电路的前置级的动态范围同样也比较大。但是，这种电路所产生的噪声同样也比较大。（a） 双极型 （b）FET （c）互阻型图2.6 光接收机的前置放大电路图2.7 低阻前置级的时间常数2. 高阻型前置放大器用场效应管（FET）来做为前置的放大器，如图2.6（b）所示。其电路的设计应该尽量的加大其电路的偏置电阻，应该尽量的把该电路的噪声减小到尽可能小的程度。因此，其电路显著的特点是该电路的噪声比较小。高阻型前置放大器的特点为其电路不仅仅其动态范围比较小，而且当该电路的比特速率比较高时，由于该电路的输入时间常数很大，RC，脉冲沿太长，该电路的码间干扰很严重。因而该电路对于均衡电路的要求比较高。一般该电路只在码速率比较低的系统中才会使用。3. 互（跨）阻型前置放大器互阻型前置放大器（也称为跨阻型前置放大器）实际上就是由电压并联式负反馈型放大器组成，如图2.6（c）所示。由于该电路的负反馈电路改善了其放大器的带宽宽度的特性和非线性的特性，因此，该电路为性能非常优良的电压/电流的转换器，该电路具有诸多优点，如频带比较宽、噪声比较低等。而且，该电路的动态范围也相比高阻型前置放大器有了很大的改善，在光纤通信中得到了广泛的应用。图2.8所示，为一个广泛的应用的前置型放大器的电路。前置型放大器是一个广泛应用的光电检测器组件，为了减小光纤电路的引线和电容问题，并提高光纤电路的检测的速度和检测的灵敏度，采用混合集成的电路工艺，把光电检测器与前置放大电路做成了一个组件，故该电路的使用是十分方便的。在这电路之中，由PIN管和FET电路所组成的器件的使用是十分普遍，效果也良好，常被人称为PIN-FET组件。该组件的管脚接线为：1和4为电源的-5V；3、5、8为外壳接地；7为信号输出；10为电源+5V。其它技术指标见表2.1。图2.8 前置放大器举例表2.1 PIN-FET指标（BER=10-9）序号项目指标备注1工作波长/m1.01.652灵敏度/dBm 8.4Mb/s-53二次群34Mb/s-47三次群140Mb/s-42四次群560Mb/s-30五次群3动态范围/dB204输出阻抗/505电源电压/V56工作温度/()-1050主放大器应该接在前置放大器的后面，这是因为主放大器的输入信号相比其它比较大，所以本设计可以不用考虑电路噪声的影响。主放大器的特点是带宽比较大，增益比较高，由于作为接收机应该要具备一定的自动增益控制的功能，因此，主放大器的电路也应该具有可变的增益性能。2.3初步确定前置电路通过以上分析，以及综合考虑本设计的设计初衷，在考虑价格和性能之后得出结论：本设计的光接收机的接受头部分选用PIN二极管，因为它的反向偏置电流满足设计要求，且价格低廉。为了与接受头部分相互配合，前置放大器应该选择互阻型前置放大器，这种前置放大器的放大倍数完全满足设计的要求，并且其带宽也比较大对后续的电路有很大好处。如图2.9所示。图2.9 互阻型前置放大器这种类型的放大器实际上是一种通过反馈电阻Rf来给其放大器输入端提供负反馈的高增益、高阻抗型放大器。这种设计方法不但噪声低，而且带宽大、动态范围也宽、放大倍数也稳定等优点。考虑到一级放大也许无法满足后续电路的要求，故再加一个放大器用以使电信号达到后续电路要求。如图2.10所示。图2.10 两级放大器2.4光接收机的噪声光接收机的噪声作为引起误码发生的主要原因之一，因而，也成为影响光接收机的灵敏度及性能的主要因素之一。光纤通信系统的噪声主要包括有以下几种：1. 光电检测器噪声：它主要包括光散粒噪声、暗电流噪声和倍增噪声（PIN管没有被增噪声）。2. 电子放大器噪声。3. 光源谱线因随机性与单模的光纤色散两者互相作用而形成的模分配的噪声。4. 光电检测器与电子放大器的噪声一般通称为光接收机噪声。以上所提到的噪声，作为光接收机的主要影响的因素之一，如何正确处理这些噪声以及怎样正确处理这些噪声都将直接的决定光接收机的性能。1) 散粒噪声假设现有恒定的光功率P照射在了光检测器（PIN管）的光敏元件的表面上。则不论其光功率如何的恒定，由于其光量子在光检测器PIN管内所激励出的电子数为随机的，所以，输出电流仍然带有随机的噪声。可以证明，光检测器的散粒噪声其统计特性是服从泊松分布。PIN管输出的散粒噪声则近似白噪声，其双边的功率谱为 （2.1）式中，Ip为其光电子流，e为其电子载荷。对于其带宽比的系数，PIN管的散粒噪声的功率为 （2.2）2) 检测器的暗电流噪声检测器在加上偏压后，或多或少的将要产生一部分暗电流，即使没有光信号照射时，检测器上的暗电流也能引起散粒噪声。在无倍增的情况下，暗电流Id所引起的在检测器输出端的散粒噪声功率为 （2.3）在APD内，暗电流也能引起倍增噪声，其噪声的功率为 （2.4）需注意，在APD中的暗电流，有一部分属于表面的绝缘不良产生的漏电，并不经过APD二极管内的倍增区，不会引起所谓的倍增噪声。这些噪声，虽然微弱但在本设计中会产生很大的影响，故应该在电路之中配置相应的滤波与除干扰的电路，具体的方法将在以后提及。2.5放大器设计2.5.1放大器形式的选择一般的检测器输出的光脉冲波形在经过长距离的光纤传输后，受到了光纤的色散影响，与发送的波形并不完全一致，而是类似高斯波形。不同的类型的放大器，它们的噪声源并不是相同的，所以它们的输出噪声的功率也是不相同的。场效应管（FET）的噪声很小，一般的光电检测器中，高阻抗的恒流源器件和FET比较匹配，因此，高输入阻抗型前置放大器的接收机能得到很好的信噪比。但若输入的阻抗太高，波形的积分产生的畸变就严重。光接收机中还存在非线性，则畸变的波形就难以再用均衡器来纠正。故本次设计没有选用此种放大器，本次设计选择采用负反馈的互阻式抗放大器。2.5.2放大器芯片的选择对于放大电路，放大器的选择是一个非常重要的事项，可以作为放大器的芯片有很多，例如175、8305、IP113 和OP07等。在诸多芯片中，OP07芯片是一种低噪声、非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25V），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。本次设计决定选择OP07芯片，其引脚如图2.11所示。图2.11 OP07芯片引脚图2.5.3放大器滤波装置的选择在本次设计中反馈电阻Rf产生的热躁声并不算太大，故可以忽略不计。但是有外界干扰、暗电流等干扰故应该增加滤波装置。如图2.12所示。图2.12 增加滤波装置后的放大器图2.12为第一级放大器增加滤波装置后的图示，其中电容C1的作用是滤除第一级放大器的接收头处的干扰，而电源处的电容的作用是滤除电源处产生的干扰。通过查阅相关资料可知，PIN二极管的反相偏置电流为0-0.7A，R1的电阻值为1M，故第一级放大器的输出电压信号范围0-0.7V。对于第二级放大器由于其所放大的电压信号比第一级放大器放大的电压信号大得多，且一部分第一级的干扰信号也被放大，再加上电路的本身的干扰信号等，应添加一个无限增益多路反馈型二阶滤波器来滤除干扰信号。如图2.13所示。图2.13 无限增益多路反馈型二阶滤波器该二阶滤波器的传递函数为 （2.5）将j=S代入上式，得该二阶滤波器的放大倍数为 （2.6）又因为=2fc，故上式可以化简为 （2.7）经查资料知第二级放大器产生的电压放大倍数约为4.2，经二级放大后的电压满足0-5V之间，故该放大器的放大倍数满足设计要求。2.5.4放大器调压装置的设计第二级放大器增加滤波装置后，其中由电阻R3,R4电容C5,C11共同组成无限增益多路反馈型二阶滤波器，该滤波器滤除高频干扰的效果非常好，同时保证需要的电压信号得到有效放大。同时为消除暗电流等低频信号增加调压电路以实现消除低频干扰信号的目的。如图 2.14所示。图2.14 增加调压电路后的第二级放大器3 电路整体设计3.1芯片的选择本次的设计中，单片机为整个设计系统中的核心，单片机的程序主要包括有模拟信号通道选择部分、并行数据的采集部分和并行数据的传输部分，我们为了使各信号能在单片机与外部数据之间的传输流畅进行，应用以下芯片：AT89C52单片机，模数信号转换芯片ADC0809，六输入反相器芯片74HC04，四二输入或非门芯片74HC02，串行物理接口RS232。3.2 芯片介绍3.2.1 MCS-51单片机芯片AT89C51单片机作为整个系统的核心，它的程序主要包括有模拟信号通道选择部分、模拟信号转变为数字信号、并行数据采集部分和并行数据传输部分；本次的设计选择了AT89C52单片机，AT89C52单片机是一个低电压、高性能的CMOS工艺的 8位单片机，片内含有8k bytes的可以反复的擦写的Flash格式的只读程序存储器还有256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），AT89C52单片机的器件采用的是ATMEL公司发明的高密度、非易失的性存储技术生产的，可兼容所有标准的MCS-51指令系统，该片内置有通用8位的中央处理器和Flash格式的存储单元，AT89C52单片机已经在电子行业中有着非常广泛的应用。这种单片机能够很好的满足各种检测系统的性能要求，AT89C52单片机引脚如图3.1所示。图 3.1 PDIP封装的AT89C52引脚图AT89C52是8 位的通用型微处理器，采用的是工业标准的C51内核，在其内部的功能以及其管脚排布上都与通用的8xc52 相同，AT89C52主要用于会聚和调整时的功能控制。其功能主要包括对会聚的主IC 内部寄存器、数据RAM以及外部接口等多个功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外线遥控信号（IR信号）的接收，解码以及与主板CPU间的通信等。AT89C52的部分引脚及功能如下：1主电源引脚Vcc和Vss Vcc-(40脚)接+5V电压； Vss-(20脚)接地。2外接晶体引脚XTAL1和XTAL2 XTAL1(19脚) 连接外部晶体的一端。在单片机的内部，它是一个反向放大器的输入端，这个反向放大器构成了片内振荡器。本次设计的检测系统采用外部的振荡器，此引脚作为驱动端。XTAL2(18脚)连接外部晶体的另一个引脚。在单片机的内部，连接上述振荡器所属的反向放大器的输出端。3控制或其它电源复位引脚RST/VDP、ALE/PROG、PSEN和EA/Vpp（1） RST/Vpd (9脚)当振荡器在运行状态下，在此引脚上出现两个机器周期的高电平时，单片机就会复位。根据本次设计的检测系统的电路图可知，该检测系统电路可以实现AT89C52的复位(手动复位电路和上电复位电路)。在上电复位电路中，在9引脚和Vss引脚之间需要连接一个阻值约8.2K的下拉电阻，与Vcc引脚之间应连接一个数值约10F的电容，以保证单片机可靠地复位。当Vcc掉电期间，9引脚可接上备用电源，以保证单片机内部RAM的数据不会丢失。当Vcc主电源下降到低于规定的电平而Vpd在其规定的电压范围(50.5V)内时，Vpd就会向单片机内部RAM提供备用的电源，从而完成掉电保护功能。 （2） ALE/(30脚)当单片机访问外部存储器时，ALE(允许地址锁存) 引脚输出的高电平用于锁存地址的地址字节。即使不访问外部的存储器，ALE端仍然以不变的频率周期性的产生正脉冲电信号，此正脉冲电信号的频率为振荡器自身频率的1/6。因此，它可用于对外输出的时钟信号，或者用于定时的目的。然而，需要注意的是，每当单片机访问外部数据存储器时，将会产生一个ALE脉冲电信号。ALE端的正脉冲电信号可以驱动(吸收或输出电流)8个LS型的TTL输入电路。（3）(29脚)此引脚的输出电信号是外部程序存储器的读选通信号。当从外部程序存储器取指令(常数)期间出现，周期为两次的脉冲电信号有效。但在此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的信号将不与信号一样可驱动（吸收或输出）8个LS型TTL输入。（4） /Vpp(31引脚)当端保持高电平时，可以访问内部程序存储器，但是在PC(程序计数器)数值超过1FFFH时，系统将自动转向执行外部程序存储期内的程序。当引脚保持低电平时，则只访问外部程序存储器，不管内部程序存储器是否有程序。在给AT89C52编程时，在向EPROM内写入程序时，此引脚则用于外加21伏的编程电压 (Vpp)。4 输出/输入(I/O)引脚P0、P1、P2、P3（共32根）（1） P0口（39脚-32脚）P0口是双向8位三态I/O口，在P0口外接存储器时，P0口与地址总线的低8位以及数据总线复用，P0口能以吸收电流的方式来驱动8个LS型TTL负载。（2）P1口(1脚-8脚)P1口是8位准双向I/O口。由于这种接口输出时没有高阻状态，输入时也不能锁存，故P1口不是真正意义上的双向I/O口。P1口能驱动(吸收或输出电流)4个LS TTL负载。（3）P2口(21脚-28脚)P2口是8位准双向I/O口。在P2口访问外部存储器时，它可作为单片机扩展电路的高8位地址总线输出高8位的地址信息。在外部存储器EPROM运行时，P2口接收高8位的地址，P2口可以驱动(吸收或输出电流)4个LS型TTL负载。（4） P3口(10脚-17脚)P3口是8位准双向I/O口，在MCS-51单片机中，这8个引脚有专门的功能和普通I/O口功能，是时复用双功能口。P3口能驱动（吸收或输出电流）4个LS TTL负载。作为第一功能进行使用时，就是作为普通的I/O口使用时，P3口功能和它的操作方法与P1口是相同的。作为第二功能使用时，P3口各引脚的定义如下表4.1所示。值得强调的是，P3口的每一个引脚均可以独立的定义为第一功能的输入输出引脚或第二功能引脚。表3.1 P3口各线的第二功能定义口线引脚第二功能P3.010RxD(串行输入口)P3.111TxD(串行输出口)P3.212(外部中断0)P3.313(外部中断1)P3.414T0(定时器0外部输入)P3.515T1(定时器1外部输入)P3.616(外部数据存储器写脉冲)P3.717(外部数据存储器读脉冲)综上所述，AT89C52单片机是通过内、外三线(数据总线、地址总线、控制总线)来控制数据的传输并完成数据的采集、计算和存储的一体化过程。3.2.2模/数转换器芯片ADC0809ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D转换器。该芯片内部有一个8通道的多路开关，它可以根据输入的地址码锁存译码后产生的信号，只选通8路模拟输入信号中的一路进行A/D转换。ADC0809是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。其引脚如图3.2所示。图3.2 ADC0809引脚图本设计中采用ADC0809模/数转换器，ADC0809是8位二进制数据输出的高精度A/D转换器。其工作电路如下图4.3所示，IN0-IN7口输入的8路信号经过ADC0809转换为数据信号并传到单片机CPU中，同时将转化后的数据信号存储起来，作为历史数据。该芯片的工作情况有AT89C51控制。图3.3 ADC0809的电路图3.2.3六输入反相器芯片74HC0474HC04芯片是高速的硅栅CMOS工艺器件并兼容低功耗肖特基的TTL （ LSTTL ）。74HC04芯片内含6组相同的反相器，例1A输入高电平，1Y输出低电平。 其引脚逻辑图如图4.4所示。 图3.4 74HC04引脚逻辑图极限值电源电压7V输入电压 54/7404、54/74H04、54/74S045.5V 54/74LS047V工作环境温度 54XXX -55125 74XXX 070存储温度 -65150 3.2.4四二输入或非门芯片74HC0274HC02芯片为四组2 输入端或非门（正逻辑），例1A，1B输入高电平，1Y输出低电平。其逻辑图如图3.5所示。 双列直插封装 图3.5 74HC02逻辑图74HC02部分参数电源电压极限值7V 输入电压极限值 54/7402、54/74S025.5V 54/74LS02 7V 工作环境温度 54XXX -55125 74XXX 070 存储温度 -65150 3.2.5串行物理接口RS232RS-232是个人用计算机上的通讯接口之一，由电子工业协会(Electronic Industries Association，EIA) 所制定的异步传输标准接口。通常 RS-232 接口以9个引脚 (DB-9) 或是25个引脚 (DB-25) 的型态出现，一般个人计算机上会有两组 RS-232 接口，分别称为 COM1 和 COM2。串口传输数据只要有接收数据针脚和发送针脚就能实现：同一个串口的接收脚和发送脚直接用线相连，两个串口相连或一个串口和多个串口相连。3.3组合电路将以上芯片和元件组合起来，并选用中断方式控制。如图3.6所示。图3.6 整体电路图3.4设计程序完成电路的设计后只剩下程序的设计，本设计选择汇编程序语言。目的要达到使多路（本设计为二路，若更多可改动程序）信号的输入、顺序模数转换、顺序输出，编写的程序如下:ORG 0000HSJMP MAINORG 0013H；INT1中断向量地址AJMP READAD；跳转到读入数据处ORG 2000H；预置外部中断MAIN:SETB IT1；置INT1为下降沿触发SETB EA；总中断开放SETB EX1；开放INT1中断启动ADC0809转换MOV DPTR,#0100H；外部指针指向ADC0809口地址MOV R0，#50H；R0作为存储缓冲器地址MOV R1,#00H；R1作为通道号地址MOV A,R1；从VIN0路开始MOV DPTR,A；启动转换SJMP $；继续主程序，等待中断 中断服务程序READAD:MOVX A,DPTR；读入本通道A/D转换结果到AMOV R0,A；转存到缓冲器MOV P1，A；数据从P1口并口输出INC R0；缓冲器指针加1INC R1；指向下一通道RECH:MOV A,R1；MOVX DPTR,A；启动对下一路的转换CJNE A,#01H,REWAIT；所有通道都转换过了吗MOV R1,#00H；是，重新从VIN0路开始SJMP RECHREWAIT:RECH；否，返回主程序等待4 结 论本次设计的题目是多组光纤光源的接收电路设计。作者通过查阅大量资料、文献，并结合平时所学的专业知识，从光接收机设计和模数转换系统设计两个部分入手，对产品进行设计和创新，设计出了元件结构简单、合理，具有较高的性价比的多组光纤光源的接收电路。主要体现在以下几点：（1）设备的光纤光源的接收部分，所设计的电路结构和高精度光接收头为测量精度提供了保证；采用OP07型放大器提高了接收电路性能，降低了电路成本；而且在的电路整体设计上尽量减小了电路版尺寸。（2）设计采用了AT89C52这种较常用的单片机和ADC0809这种精度高、漂移低、价格低廉的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D转换器，使所设计的电路结构较简单、所用的元器件较少。（3）系统在设计方法上采用了模块化设计，并兼容并蓄的建立了包含光接收头、前置信号放大器、模数转换数据传送和数据输出在内的模块，从而能对测量所得的数据进行实时采集和计算机处理，实现了光纤光源信号的精确测量和快速处理。经过几个月的紧张忙碌，毕业设计基本完成了，回顾这几个月的生活