光纖應用中的監視器校準

本應用筆記重點介紹光模塊的SFF-8472和XENPAK標準。它顯示了光電探測器增益的變化如何影響測量的功率水平。光電探測器針對光纖應用進行了校準。圖中顯示了光收發器監視器的內部和外部校準方法。內置DS1852光收發器診斷監視器。

光纖標準，如SFF-8472和現在新興的XENPAK標準，要求監測關鍵光纖信號，如偏置電流（mA）、發射功率（mW）和接收功率（mW）。發射和接收功率通過光電探測器進行監控，光電探測器的電流用作功率水平的量度。不同器件的光電探測器增益差異很大，使得在沒有校準的情況下使用這種測量是不可靠的。

需要校準

圖1顯示了測量數據在監控發射功率期間所遵循的路徑。光輸出通過光電探測器的響應度（mA/mW）轉換為電流。該電流通過A/D轉換為數字形式，然后放置在2-Wire總線上，以便主機輕松訪問。光電探測器的響應度可能因部件而異，差異高達10倍。因此，在原始未校準的環境中，主機在相同的發射功率下將獲得明顯不同的數據值，具體取決于光電探測器增益。

圖1.

校準可確保從輸入到輸出之間存在一對一的對應關系。例如，無論光電探測器的類型或特性如何，1mW的發射功率都會產生相同的數字數據值。此外，標準將通過明確定義主機的滿量程讀數來施加縮放要求。簡而言之，測量的準確性是通過校準來保證的，秤是由標準定義的。

校準實施

在DS1852中，校準可以在內部或外部實現。

內部校準可以與可編程增益進行比較，如圖2所示。單點校準在用戶的工廠測試車間執行。這需要將信號最好提高到滿量程左右的水平，然后對內部校準寄存器進行編程，直到數字值Nad按預期讀取。SFF-8472標準中規定了以下每個信號的內部校準范圍和分辨率值：電源電壓、偏置電流、發射功率、接收功率。設置此校準后，每個傳入的原始數據點都會相應地放大，而無需用戶的任何干預，輸出與標準規模一致的數字值或計數。因此，使用術語內部校準。

圖2.

外部校準是DS1852、DS1854、DS1857和DS1858的特性。圖 3 說明了它的工作原理。IC的數字輸出Nad未校準。用戶依靠具有計算能力的設備（如微控制器）從DS185X IC檢索校準常數并進行計算。SFF-8472標準中對外部校準進行了解釋，分為兩大類：線性和非線性。在線性情況下，需要兩個常數，一個用于失調，一個用于增益;對于每個原始數據點 x，計算校準值 y = ax + b。非線性情況涉及 （n +1） 系數，n 是最高冪。例如，y = ax4+ bx3+ 客戶體驗2+ dx + e 是接收功率的建議公式。

圖3.

傳遞函數

無論采用哪種方法，A/D的結果都是兩個傳遞函數的乘積，第一個是要測量的參數與施加到A/D的電壓之間的關系。在發射功率的情況下，這是光電探測器的響應。

VAD = f1 ×參數，其中參數是要測量的參數，f1是轉換過程的傳遞函數，VAD是A/D的電壓輸入。

F1只是模塊內電路的函數，用于得出指示測量參數的電壓。

第二個是輸入到A/D的電壓與校準結果之間的關系。

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

因此，總體而言，傳遞函數為 NAD = f1 ×增益×參數 + 偏移。DS1852的內部校準沒有失調規定。在這種情況下，NAD = f1 ×參數×增益。

內部校準

該標準對內部校準的NAD施加了額外的限制。它要求 NAD = f2 ×參數，其中 f2 是由標準定義的縮放約束，以便對所有應用程序使用一個通用縮放。

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

反過來，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 f2 是標準設定的通用值）通常取決于 f1，即模塊內的電路。例如，將電流轉換為電壓的電阻器通常與激光監控光電二極管串聯使用，以實現APC功能。因此，在傳輸功率監控的情況下，電阻兩端的電壓（激光驅動器的反饋電壓）也是 A/D、VAD 的輸入。改變電阻值（f1的一個元件）需要改變增益值，以便最終它們的乘積是恒定的，并且遵守標準的標度。

對于DS1852，增益由12個粗縮放位和<>個細縮放位組合設置。附錄 A 中介紹了設置這些位的過程。

外部校準

這里最大的區別在于，如果信號電平非常低，則除了噪聲之外，f1和增益的乘積沒有限制。NAD的值有些任意，因為最終校準結果不受標準規定的精度格式的約束。內部校準就是這種情況，其中精度格式為16位固定。用戶必須對此結果執行算術運算，以將其轉換為校準單位（計數）。執行此操作所需的常量存儲在內存中。SFF-8472 文檔中詳細介紹了校準常數的使用。對于線性關系，校準計數 = NAD ×校準常數1 + 校準常數2。

至少在使用DS1852的情況下，這種方法的另一個優點是可以調整A/D，使滿量程計數對應于該特定產品的最大模擬信號值，而不僅僅是標準定義的值。例如，如果模塊設計的最大發射功率為1mW，則可以調整A/D，使1mW產生FFFFh的輸出。在這種情況下，可實現的最佳分辨率為0.02μW（1mW的65536/1），而SFF-0標準的“內部校準”模式下為1.8472μW。

用戶需要確保其計算引擎不受外部校準的16位固定精度的限制。如果是這種情況，則放棄本節中概述的分辨率優勢。需要 32 位固定精度或浮點精度來保持這一優勢。

校準常數是在生產過程中為每個被測模塊和每個被監控通道得出的。這些常數存儲在DS185X IC的EEPROM存儲器中，以便以后用于校準。需要（n + 1）點校準才能提取這些系數，其中n是校準方程的階數。對于線性擬合，需要兩個系數，一個用于增益，一個用于偏移：y = ax + b。用戶逐漸增加其設置，直到達到信號點1（即發射功率）。讀取 X1（A/D 原始計數）;Y1 是標準推薦用于對應于信號點 1 的數字讀數的值。同樣，確定信號點 2 的 x2 和 y2。測試器導出a和b，并將它們存儲在DS185X IC的存儲器中。

審核編輯：郭婷