一種便攜式的多功能SLD數字測控系統設計

摘要：以嵌入式微控制器C8051F為控制核心實(shí)現了便攜式的多功能超輻射發(fā)光二極管(SLD)測控系統。試系統具有多種工作模式，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LIV測試工作模式；可為SLD提供高穩定性的電流控制、光功率控制和溫度控制，實(shí)驗結果表明其長(cháng)期驅動(dòng)電流穩定度0．023％、光功率控制穩定度0．026％、溫度控制偏蘭0．03℃。同時(shí)利用該系統可實(shí)現器件LIV特性的自動(dòng)測試，其結果可用于SLD性能的表征與評價(jià)。
關(guān)鍵詞：SLD；微控制C8051F；參數檢測；特征測試

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

1 系統工作原理及設計方案
系統的總體設計如圖1所示。該系統主要以嵌入式微控制器C8051F060為控制核心，利用其內部集成的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模塊便構成了一個(gè)基本片上數據控制采集系統，這使得設計體積小、低功耗、高可靠性的便攜式SLD測控系統成為可能，同時(shí)也大大降低了成本。整個(gè)系統主要由驅動(dòng)模塊、溫度控制模塊、參數檢測模塊和人機接口模塊組成。其中驅動(dòng)模塊為器件提供3種驅動(dòng)方式：恒電流驅動(dòng)、恒功率驅動(dòng)和LIV測試；溫度控制模塊通過(guò)調節熱電制冷器的電流大小和方向來(lái)保持器件工作溫度穩定；參數采集模塊檢測出器件的驅動(dòng)電流、管壓降、光功率、溫度控制電壓等數據，并送至微控制器的ADC模塊進(jìn)行預處理，由LCD實(shí)時(shí)顯示；同時(shí)，通過(guò)鍵盤(pán)可以設定系統的工作方式和參數大小，如為L(cháng)IV測試則上述數據可通過(guò)串口與計算機通信實(shí)現遠程控制。

2 驅動(dòng)模塊設計
驅動(dòng)模塊主要由驅動(dòng)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動(dòng)方式、恒光功率驅動(dòng)方式和LIV測試方式。
2．1 恒流驅動(dòng)
恒流驅動(dòng)是對SLD的注入電流進(jìn)行穩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設定一個(gè)無(wú)抖動(dòng)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成V-I轉換器，由此獲得相應的輸出電流，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)放大后反饋回運算放大器的正向輸入端，通過(guò)與設定電壓的比較，對輸出電流進(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。根據虛短-虛斷原則，輸出電流值為電壓設定值與取樣電阻阻值之比，即：
I=VDAC0／R (1)
2．2 恒光功率驅動(dòng)
恒功率驅動(dòng)是對SLD的輸出光功率進(jìn)行穩恒控制的一種控制方式，圖3所示為恒功率驅動(dòng)電路原理圖。通過(guò)一個(gè)內部集成的光電探測器(PD)來(lái)監測器件的輸出光功率，其分光比為5％，將抽樣光信號轉換成為電信號，通過(guò)前置放大電路將監測到的光電流信號進(jìn)行放大。并將放大后的信號傳送至單片的16位ADC0模塊進(jìn)行模／數轉換。轉換后的數字量與設定數字量進(jìn)行比較，對偏差進(jìn)行補償，調整加在恒流電路上的設定電壓值，從而調整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測試
LIV測試是在遠程控制時(shí)改變SLD注入電流I的同時(shí)測試SLD輸出的光功率L和SLD兩端的正向電壓V，采集到的數據以L(fǎng)IV特性識別曲線(xiàn)顯示，包括表示電抗特性的V-I曲線(xiàn)，表示光電轉化特性的L-I曲線(xiàn)。在LIV測試模式下，由遠程計算機設定測試參數后，由驅動(dòng)模塊產(chǎn)生步進(jìn)的驅動(dòng)電流，參數檢測模塊將每個(gè)步進(jìn)點(diǎn)的管壓降V，驅動(dòng)電流I，光功率L自動(dòng)記錄下來(lái)，并繪制LIV曲線(xiàn)。這些數據和曲線(xiàn)可用來(lái)分析SLD的特性，如外量子效率、閾值電流等。
2．4 保護電路
SLD屬于昂貴的半導體器件，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(cháng)器件的使用壽命，設計了靜電保護電路和限幅電路。