《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種便攜式的多功能SLD數(shù)字測控系統(tǒng)設(shè)計
電子技術(shù)
汪磊,楊明偉,楊遠洪,索鑫鑫,吳長莘
摘要: 以嵌入式微控制器C8051F為控制核心實現(xiàn)了便攜式的多功能超輻射發(fā)光二極管(SLD)測控系統(tǒng)。試系統(tǒng)具有多種工作模式,包括恒流控制工作模式、恒光功率工作模式、恒溫控制工作模式和連續(xù)LIV測試工作模式;可為SLD提供高穩(wěn)定性的電流控制、光功率控制和溫度控制,實驗結(jié)果表明其長期驅(qū)動電流穩(wěn)定度0.023%、光功率控制穩(wěn)定度0.026%、溫度控制偏蘭0.03℃。同時利用該系統(tǒng)可實現(xiàn)器件LIV特性的自動測試,其結(jié)果可用于SLD性能的表征與評
關(guān)鍵詞: 51單片機 SLD C8051 數(shù)字測控
Abstract:
Key words :

0 引言
SLD作為光纖陀螺系統(tǒng)的核心器件,其工作特性會影響整個系統(tǒng)的性能及可靠性,因此研究如何對SLD特性參數(shù)進行快速準(zhǔn)確地測量以完成對器件性能的評價與篩選就具有重要的實際意義?,F(xiàn)有的特性測試系統(tǒng)多由分立設(shè)備組成,并且體積較大造價昂貴,也不具備現(xiàn)場測試所需的便攜性,而且工作模式單一。
針對以上問題,本文提出了一種可實現(xiàn)便攜式的SLD測控系統(tǒng)設(shè)計方案,簡述了其總體設(shè)計,重點討論了系統(tǒng)實現(xiàn)中的關(guān)鍵技術(shù),然后對實際系統(tǒng)進行了性能測試,分別測試了注入電流、光功率和溫度的穩(wěn)定性,最后給出了對實際SLD器件的特性測試結(jié)果。

1 系統(tǒng)工作原理及設(shè)計方案
系統(tǒng)的總體設(shè)計如圖1所示。該系統(tǒng)主要以嵌入式微控制器C8051F060為控制核心,利用其內(nèi)部集成的2個16位的ADC模塊、2個12位DAC模塊和1個8位的ADC模塊便構(gòu)成了一個基本片上數(shù)據(jù)控制采集系統(tǒng),這使得設(shè)計體積小、低功耗、高可靠性的便攜式SLD測控系統(tǒng)成為可能,同時也大大降低了成本。整個系統(tǒng)主要由驅(qū)動模塊、溫度控制模塊、參數(shù)檢測模塊和人機接口模塊組成。其中驅(qū)動模塊為器件提供3種驅(qū)動方式:恒電流驅(qū)動、恒功率驅(qū)動和LIV測試;溫度控制模塊通過調(diào)節(jié)熱電制冷器的電流大小和方向來保持器件工作溫度穩(wěn)定;參數(shù)采集模塊檢測出器件的驅(qū)動電流、管壓降、光功率、溫度控制電壓等數(shù)據(jù),并送至微控制器的ADC模塊進行預(yù)處理,由LCD實時顯示;同時,通過鍵盤可以設(shè)定系統(tǒng)的工作方式和參數(shù)大小,如為LIV測試則上述數(shù)據(jù)可通過串口與計算機通信實現(xiàn)遠程控制。

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2 驅(qū)動模塊設(shè)計
驅(qū)動模塊主要由驅(qū)動電路、保護電路和前置放大電路3部分組成。該模塊可以提供3種工作方式即恒電流驅(qū)動方式、恒光功率驅(qū)動方式和LIV測試方式。
2.1 恒流驅(qū)動
恒流驅(qū)動是對SLD的注入電流進行穩(wěn)恒控制的一種控制方式,實質(zhì)上是一個采用電流串聯(lián)負反饋的壓控電流源。其原理圖如圖2所示。
由微控制器的DAC0設(shè)定一個無抖動的電壓,此電壓加在運算放大器的反向輸入端,由運算放大器和三極管構(gòu)成V-I轉(zhuǎn)換器,由此獲得相應(yīng)的輸出電流,輸出電流流經(jīng)取樣電阻R獲得取樣電壓,該取樣電壓經(jīng)過放大后反饋回運算放大器的正向輸入端,通過與設(shè)定電壓的比較,對輸出電流進行控制,從而形成閉環(huán)反饋的動態(tài)平衡,使輸出電流恒定。根據(jù)虛短-虛斷原則,輸出電流值為電壓設(shè)定值與取樣電阻阻值之比,即:
I=VDAC0/R (1)
2.2 恒光功率驅(qū)動
恒功率驅(qū)動是對SLD的輸出光功率進行穩(wěn)恒控制的一種控制方式,圖3所示為恒功率驅(qū)動電路原理圖。通過一個內(nèi)部集成的光電探測器(PD)來監(jiān)測器件的輸出光功率,其分光比為5%,將抽樣光信號轉(zhuǎn)換成為電信號,通過前置放大電路將監(jiān)測到的光電流信號進行放大。并將放大后的信號傳送至單片的16位ADC0模塊進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量與設(shè)定數(shù)字量進行比較,對偏差進行補償,調(diào)整加在恒流電路上的設(shè)定電壓值,從而調(diào)整SLD的注入電流。整個控制過程形成閉環(huán)動態(tài)平衡,從而使輸出光功率恒定。

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2.3 LIV測試
LIV測試是在遠程控制時改變SLD注入電流I的同時測試SLD輸出的光功率L和SLD兩端的正向電壓V,采集到的數(shù)據(jù)以LIV特性識別曲線顯示,包括表示電抗特性的V-I曲線,表示光電轉(zhuǎn)化特性的L-I曲線。在LIV測試模式下,由遠程計算機設(shè)定測試參數(shù)后,由驅(qū)動模塊產(chǎn)生步進的驅(qū)動電流,參數(shù)檢測模塊將每個步進點的管壓降V,驅(qū)動電流I,光功率L自動記錄下來,并繪制LIV曲線。這些數(shù)據(jù)和曲線可用來分析SLD的特性,如外量子效率、閾值電流等。
2.4 保護電路
SLD屬于昂貴的半導(dǎo)體器件,其損壞大多是由于靜電和浪涌擊穿造成的。為了消除這些電沖擊對器件的損傷,延長器件的使用壽命,設(shè)計了靜電保護電路和限幅電路。

2.4.1 靜電保護電路
將一個接觸電阻很小的繼電器與SLD并聯(lián)在一起構(gòu)成短路保護開關(guān)。在SLD不進行工作時開關(guān)閉合,這樣未開機時,SLD兩端的電極被短接,從而實現(xiàn)了防止靜電擊穿的功能。在實際應(yīng)用中,除了常閉開關(guān)外,在SLD的兩個電極并聯(lián)一個二極管,防止器件由于極性接反而損壞;還在SLD的陽極和陰極之間并連一個電容,這個電容不但可以限制SLD兩端電壓突變,還可以濾除SLD驅(qū)動電流上的高頻干擾電流。
2.4.2 限幅電路
每個SLD都有安全工作電流范圍,如果電流超過此范圍,SLD將會損壞,因此必須將SLD的工作電壓限制在給定的范圍內(nèi)。限幅電路的設(shè)計基于比較器原理。圖4所示為設(shè)計的限幅保護電路,主要由集成運放UA,儀表放大器UB和二極管D1組成。

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工作時,輸入電壓UI作用于驅(qū)動電路,并將流過SLD的電流經(jīng)過取樣電阻進行I-V轉(zhuǎn)換后由UB采樣得到取樣電阻的壓差Usample,由式(1)可知U1=Usample,將其與限幅電路的上限值進行比較。當(dāng)輸入電壓UI值小于設(shè)定值USET時,UA輸出UO1>0,所以D1截止,UI直接作用在驅(qū)動電路上;當(dāng)輸入電壓值UI于設(shè)定值USET時,UA輸出UO1<0,所以D1導(dǎo)通,輸入電壓UI被下拉至USET,從而實現(xiàn)了限幅保護的功能。

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USET為保護電路的上限電壓值,限幅電路的電壓傳輸特性如圖5所示。

3 溫度控制模塊設(shè)計
環(huán)境溫度的變化會對SLD的工作穩(wěn)定性產(chǎn)生影響,為了使SLD輸出功率穩(wěn)定必須使其工作溫度恒定。溫度控制的核心器件采用ADN8830集成溫度控制器,該芯片體積小,噪聲低,可提供雙向溫控電流獨立驅(qū)動TEC,長時間控制精度可達士0.01℃,并且具有限流保護和溫度設(shè)定功能。溫度控制的執(zhí)行機構(gòu)為SLD內(nèi)部集成的半導(dǎo)體致冷器又稱熱電制冷器(Thermo Electric Cooler,TEC),溫度傳感器則是其內(nèi)部集成的熱敏電阻(NTC)。溫度控制模塊原理如圖6所示。

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由微控制器的DAC1產(chǎn)生溫度控制電壓連接至ADN8830的溫度設(shè)定端,可設(shè)定器件的工作溫度。通過向TEC提供雙向的驅(qū)動電流來控制TEC的加熱和制冷作用,當(dāng)SLD管芯溫度變化時,NTC感測溫度的變化并將溫度的變化轉(zhuǎn)換為電信號,該信號經(jīng)過反饋網(wǎng)絡(luò)返回ADN8830。ADN8830通過自身的內(nèi)部補償網(wǎng)絡(luò)調(diào)整輸入TEC電漉的方向和大小,形成閉環(huán)控制過程,從而達到溫度的恒定。

4 參數(shù)檢測模塊設(shè)計
該模塊采用高精度的儀表放大器來實時測量SLD的管壓降、驅(qū)動電流、光功率和溫度控制電壓等。參數(shù)檢測模塊原理如圖7所示。

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選用高精度儀表放大器AD620來提取相關(guān)參數(shù),其放大倍數(shù)為G=1+(50 kΩ/RG),輸出電壓Vo=(V+-V-)×G,一般將RG斷路,此時運放輸出電壓即為運放正向輸入端與反向輸入端的壓差。將AD620輸出的信號送至單片機的8路10位ADC2模塊進行模數(shù)轉(zhuǎn)換,進行數(shù)據(jù)計算和處理。
由于取樣電阻的阻值是固定的,所以將取樣電阻壓降與取樣電阻阻值求商即可得到驅(qū)動電流值。
熱敏電阻兩端的電壓為:
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式中VE為熱敏電阻橋電路的供電電壓;VE=1.25 V,RT為熱敏電阻的阻值。由式(2)可知,NTC的壓降即可換算為熱敏電阻阻值。又已知1℃對應(yīng)熱敏電阻500 Ω變化,從而采樣熱敏電阻壓降變化即可判斷溫度的變化。
在光功率探測部分已知分光器件的輸入分光比為5%,同時光功率與光電流呈線性光系,在前置放大電路將光電流信號放大轉(zhuǎn)換成光電壓信號,則光功率與光電壓呈線性關(guān)系。將光電壓值送至單片機的16位ADC0模塊進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換,由此即可檢測輸出光功率的大小。
將測量所得的各項參數(shù)經(jīng)過單片機處理后,可以通過液晶顯示器(LCD)實時顯示出來,方便用戶讀取實時的工作參數(shù)。也可以經(jīng)過串口將測量數(shù)據(jù)發(fā)送至計算機進行存儲和進一步分析。

5 系統(tǒng)性能測試與分析
為評價該系統(tǒng)的性能,利用該系統(tǒng)對電子44所生產(chǎn)的SLD器件分別進行了2 h的恒流穩(wěn)定性測試、恒功率穩(wěn)定性測試、溫度控制穩(wěn)定性測試和LIV測試。這里穩(wěn)定度的定義為輸出量的變化量與輸出量的平均值之比,即,穩(wěn)定度=(最大值-最小值)/平均值。
5.1 驅(qū)動電流穩(wěn)定性測試
在室溫下,采用恒流模式連續(xù)測量2 h的驅(qū)動電流,每2 min采一個點,其中設(shè)定驅(qū)動電流為130 mA。測量數(shù)據(jù)如圖8所示。

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由上圖可以得出,驅(qū)動電流最大值為130.71 mA,最小值為130.68 mA,平均值130.69 mA。計算其穩(wěn)定度:穩(wěn)定度=(130.71—130.68)/130.69=0.023%。
5.2 輸出功率穩(wěn)定性測試
在室溫下,采用恒光功率模式連續(xù)測量2個小時輸出光功率,每2分鐘采一個點,設(shè)定輸出光功率為445μW。測量數(shù)據(jù)如圖9所示。

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由上圖可以得出,輸出最大光功率為445.344μW,最小光功率為445.222μW,平均值為445.292μW。計算其穩(wěn)定度:穩(wěn)定度=(445.344 —445.222)/445.292=0.026%。
5.3 溫度控制穩(wěn)定性測試
由于不能夠直接對SLD組件內(nèi)部溫度進行測量,因此通過測量熱敏電阻兩端的電壓來間接的評定溫度控制穩(wěn)定度。在室溫下進行了2 h測試,其中控制溫度設(shè)定在25℃。測量數(shù)據(jù)如圖10所示。

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由上圖可以看出,NTC壓降最大值為740.5 mV,最小值為740.16 mV,變化量為0.34 mV。由式(1)可以算出熱敏電阻變化量為16Ω,根據(jù)熱敏電阻的阻值與溫度的關(guān)系可以計算出溫度最大變化為0.03℃。
5.4 LIV特性測試
利用該系統(tǒng)對該器件還進行了LIV特性測試,其中步進電流為5 mA,驅(qū)動范圍為0~130 mA,測量數(shù)據(jù)如圖11所示。
對L-I曲線進行擬合后可得光功率與驅(qū)動電流的關(guān)系為L=-250.040 57+5.453 51I,由此可計算出閾值電流為46 mA,外量子效率為η=
dP/dI=5.45μW/mA。

6 結(jié)論
基于嵌入式微控制器C8051F060設(shè)計了一種SLD數(shù)字測控系統(tǒng),該系統(tǒng)集成程度高、體積小、操作簡單,在便攜式的同時還具有較高的性能。該系統(tǒng)不但可以為SLD器件提多功能的驅(qū)動,包括恒流驅(qū)動、恒功率驅(qū)動和恒溫度控制;同時還可以作為LIV測試系統(tǒng)對器件進行特性測試與表征。
測試結(jié)果表明,該系統(tǒng)具有很好的性能,其中恒流驅(qū)動和恒功率驅(qū)動長時間穩(wěn)定性達到10-4量級,溫度控制偏差為0.03℃。同時該系統(tǒng)也適用于半導(dǎo)體激光器、LED等半導(dǎo)體光源的驅(qū)動與測量。

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