光纤应用中的监视器校准

本应用笔记重点介绍光模块的SFF-8472和XENPAK标准。它显示了光电探测器增益的变化如何影响测量的功率水平。光电探测器针对光纤应用进行了校准。图中显示了光收发器监视器的内部和外部校准方法。内置DS1852光收发器诊断监视器。

光纤标准，如SFF-8472和现在新兴的XENPAK标准，要求监测关键光纤信号，如偏置电流（mA）、发射功率（mW）和接收功率（mW）。发射和接收功率通过光电探测器进行监控，光电探测器的电流用作功率水平的量度。不同器件的光电探测器增益差异很大，使得在没有校准的情况下使用这种测量是不可靠的。

需要校准

图1显示了测量数据在监控发射功率期间所遵循的路径。光输出通过光电探测器的响应度（mA/mW）转换为电流。该电流通过A/D转换为数字形式，然后放置在2-Wire总线上，以便主机轻松访问。光电探测器的响应度可能因部件而异，差异高达10倍。因此，在原始未校准的环境中，主机在相同的发射功率下将获得明显不同的数据值，具体取决于光电探测器增益。

图1.

校准可确保从输入到输出之间存在一对一的对应关系。例如，无论光电探测器的类型或特性如何，1mW的发射功率都会产生相同的数字数据值。此外，标准将通过明确定义主机的满量程读数来施加缩放要求。简而言之，测量的准确性是通过校准来保证的，秤是由标准定义的。

校准实施

在DS1852中，校准可以在内部或外部实现。

内部校准可以与可编程增益进行比较，如图2所示。单点校准在用户的工厂测试车间执行。这需要将信号最好提高到满量程左右的水平，然后对内部校准寄存器进行编程，直到数字值Nad按预期读取。SFF-8472标准中规定了以下每个信号的内部校准范围和分辨率值：电源电压、偏置电流、发射功率、接收功率。设置此校准后，每个传入的原始数据点都会相应地放大，而无需用户的任何干预，输出与标准规模一致的数字值或计数。因此，使用术语内部校准。

图2.

外部校准是DS1852、DS1854、DS1857和DS1858的特性。图 3 说明了它的工作原理。IC的数字输出Nad未校准。用户依靠具有计算能力的设备（如微控制器）从DS185X IC检索校准常数并进行计算。SFF-8472标准中对外部校准进行了解释，分为两大类：线性和非线性。在线性情况下，需要两个常数，一个用于失调，一个用于增益;对于每个原始数据点 x，计算校准值 y = ax + b。非线性情况涉及 （n +1） 系数，n 是最高幂。例如，y = ax4+ bx3+ 客户体验2+ dx + e 是接收功率的建议公式。

图3.

传递函数

无论采用哪种方法，A/D的结果都是两个传递函数的乘积，第一个是要测量的参数与施加到A/D的电压之间的关系。在发射功率的情况下，这是光电探测器的响应。

VAD = f1 ×参数，其中参数是要测量的参数，f1是转换过程的传递函数，VAD是A/D的电压输入。

F1只是模块内电路的函数，用于得出指示测量参数的电压。

第二个是输入到A/D的电压与校准结果之间的关系。

NAD = 增益× VAD + 偏移，其中 NAD 是 A/D 的数字输出，增益是比例因子。

因此，总体而言，传递函数为 NAD = f1 ×增益×参数 + 偏移。DS1852的内部校准没有失调规定。在这种情况下，NAD = f1 ×参数×增益。

内部校准

该标准对内部校准的NAD施加了额外的限制。它要求 NAD = f2 ×参数，其中 f2 是由标准定义的缩放约束，以便对所有应用程序使用一个通用缩放。

例如，Tx 输出功率定义为参数 （mW） = NAD × 0.0001，或 f2 = 10，000。

反过来，这将 f1 ×增益的乘积限制为 10，000。

由于 f2 = f1 ×增益，因此增益的值（假设 f2 是标准设定的通用值）通常取决于 f1，即模块内的电路。例如，将电流转换为电压的电阻器通常与激光监控光电二极管串联使用，以实现APC功能。因此，在传输功率监控的情况下，电阻两端的电压（激光驱动器的反馈电压）也是 A/D、VAD 的输入。改变电阻值（f1的一个元件）需要改变增益值，以便最终它们的乘积是恒定的，并且遵守标准的标度。

对于DS1852，增益由12个粗缩放位和<>个细缩放位组合设置。附录 A 中介绍了设置这些位的过程。

外部校准

这里最大的区别在于，如果信号电平非常低，则除了噪声之外，f1和增益的乘积没有限制。NAD的值有些任意，因为最终校准结果不受标准规定的精度格式的约束。内部校准就是这种情况，其中精度格式为16位固定。用户必须对此结果执行算术运算，以将其转换为校准单位（计数）。执行此操作所需的常量存储在内存中。SFF-8472 文档中详细介绍了校准常数的使用。对于线性关系，校准计数 = NAD ×校准常数1 + 校准常数2。

至少在使用DS1852的情况下，这种方法的另一个优点是可以调整A/D，使满量程计数对应于该特定产品的最大模拟信号值，而不仅仅是标准定义的值。例如，如果模块设计的最大发射功率为1mW，则可以调整A/D，使1mW产生FFFFh的输出。在这种情况下，可实现的最佳分辨率为0.02μW（1mW的65536/1），而SFF-0标准的“内部校准”模式下为1.8472μW。

用户需要确保其计算引擎不受外部校准的16位固定精度的限制。如果是这种情况，则放弃本节中概述的分辨率优势。需要 32 位固定精度或浮点精度来保持这一优势。

校准常数是在生产过程中为每个被测模块和每个被监控通道得出的。这些常数存储在DS185X IC的EEPROM存储器中，以便以后用于校准。需要（n + 1）点校准才能提取这些系数，其中n是校准方程的阶数。对于线性拟合，需要两个系数，一个用于增益，一个用于偏移：y = ax + b。用户逐渐增加其设置，直到达到信号点1（即发射功率）。读取 X1（A/D 原始计数）;Y1 是标准推荐用于对应于信号点 1 的数字读数的值。同样，确定信号点 2 的 x2 和 y2。测试器导出a和b，并将它们存储在DS185X IC的存储器中。

审核编辑：郭婷