一種便攜式的多功能SLD數(shù)字測控系統(tǒng)設(shè)計

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性能的表征與評價。
關(guān)鍵詞：SLD；微控制C8051F；參數(shù)檢測；特征測試

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。現(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。

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。

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。