一種便攜式的多功能SLD數(shù)字測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：以嵌入式微控制器C8051F為控制核心實(shí)現(xiàn)了便攜式的多功能超輻射發(fā)光二極管(SLD)測(cè)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(cè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其長(zhǎng)期驅(qū)動(dòng)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(shí)利用該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)器件LIV特性的自動(dòng)測(cè)試，其結(jié)果可用于SLD性能的表征與評(píng)價(jià)。
關(guān)鍵詞：SLD；微控制C8051F；參數(shù)檢測(cè)；特征測(cè)試

0 引言
SLD作為光纖陀螺系統(tǒng)的核心器件，其工作特性會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的性能及可靠性，因此研究如何對(duì)SLD特性參數(shù)進(jìn)行快速準(zhǔn)確地測(cè)量以完成對(duì)器件性能的評(píng)價(jià)與篩選就具有重要的實(shí)際意義?，F(xiàn)有的特性測(cè)試系統(tǒng)多由分立設(shè)備組成，并且體積較大造價(jià)昂貴，也不具備現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試所需的便攜性，而且工作模式單一。
針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出了一種可實(shí)現(xiàn)便攜式的SLD測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，簡(jiǎn)述了其總體設(shè)計(jì)，重點(diǎn)討論了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中的關(guān)鍵技術(shù)，然后對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行了性能測(cè)試，分別測(cè)試了注入電流、光功率和溫度的穩(wěn)定性，最后給出了對(duì)實(shí)際SLD器件的特性測(cè)試結(jié)果。

1 系統(tǒng)工作原理及設(shè)計(jì)方案
系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)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(gè)16位的ADC模塊、2個(gè)12位DAC模塊和1個(gè)8位的ADC模塊便構(gòu)成了一個(gè)基本片上數(shù)據(jù)控制采集系統(tǒng)，這使得設(shè)計(jì)體積小、低功耗、高可靠性的便攜式SLD測(cè)控系統(tǒng)成為可能，同時(shí)也大大降低了成本。整個(gè)系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)模塊、溫度控制模塊、參數(shù)檢測(cè)模塊和人機(jī)接口模塊組成。其中驅(qū)動(dòng)模塊為器件提供3種驅(qū)動(dòng)方式：恒電流驅(qū)動(dòng)、恒功率驅(qū)動(dòng)和LIV測(cè)試；溫度控制模塊通過(guò)調(diào)節(jié)熱電制冷器的電流大小和方向來(lái)保持器件工作溫度穩(wěn)定；參數(shù)采集模塊檢測(cè)出器件的驅(qū)動(dòng)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(jìn)行預(yù)處理，由LCD實(shí)時(shí)顯示；同時(shí)，通過(guò)鍵盤可以設(shè)定系統(tǒng)的工作方式和參數(shù)大小，如為L(zhǎng)IV測(cè)試則上述數(shù)據(jù)可通過(guò)串口與計(jì)算機(jī)通信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

2 驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)
驅(qū)動(dòng)模塊主要由驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)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(dòng)方式、恒光功率驅(qū)動(dòng)方式和LIV測(cè)試方式。
2．1 恒流驅(qū)動(dòng)
恒流驅(qū)動(dòng)是對(duì)SLD的注入電流進(jìn)行穩(wěn)恒控制的一種控制方式，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)采用電流串聯(lián)負(fù)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(gè)無(wú)抖動(dòng)的電壓，此電壓加在運(yùn)算放大器的反向輸入端，由運(yùn)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(guò)放大后反饋回運(yùn)算放大器的正向輸入端，通過(guò)與設(shè)定電壓的比較，對(duì)輸出電流進(jìn)行控制，從而形成閉環(huán)反饋的動(dòng)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(dòng)
恒功率驅(qū)動(dòng)是對(duì)SLD的輸出光功率進(jìn)行穩(wěn)恒控制的一種控制方式，圖3所示為恒功率驅(qū)動(dòng)電路原理圖。通過(guò)一個(gè)內(nèi)部集成的光電探測(cè)器(PD)來(lái)監(jiān)測(cè)器件的輸出光功率，其分光比為5％，將抽樣光信號(hào)轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)，通過(guò)前置放大電路將監(jiān)測(cè)到的光電流信號(hào)進(jìn)行放大。并將放大后的信號(hào)傳送至單片的16位ADC0模塊進(jìn)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(jìn)行比較，對(duì)偏差進(jìn)行補(bǔ)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(gè)控制過(guò)程形成閉環(huán)動(dòng)態(tài)平衡，從而使輸出光功率恒定。

2．3 LIV測(cè)試
LIV測(cè)試是在遠(yuǎn)程控制時(shí)改變SLD注入電流I的同時(shí)測(cè)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(shí)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(cè)試模式下，由遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)設(shè)定測(cè)試參數(shù)后，由驅(qū)動(dòng)模塊產(chǎn)生步進(jìn)的驅(qū)動(dòng)電流，參數(shù)檢測(cè)模塊將每個(gè)步進(jìn)點(diǎn)的管壓降V，驅(qū)動(dòng)電流I，光功率L自動(dòng)記錄下來(lái)，并繪制LIV曲線。這些數(shù)據(jù)和曲線可用來(lái)分析SLD的特性，如外量子效率、閾值電流等。
2．4 保護(hù)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(duì)器件的損傷，延長(zhǎng)器件的使用壽命，設(shè)計(jì)了靜電保護(hù)電路和限幅電路。