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(jìn)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(shí)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(shí)現(xiàn)便攜式的SLD測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，簡述了其總體設(shè)計(jì)，重點(diǎn)討論了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中的關(guān)鍵技術(shù)，然后對實(shí)際系統(tǒng)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(wěn)定性，最后給出了對實(shí)際SLD器件的特性測試結(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(jì)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(jī)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(jìn)行預(yù)處理，由LCD實(shí)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(jì)算機(jī)通信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。
2 驅(qū)動模塊設(shè)計(jì)
驅(qū)動模塊主要由驅(qū)動電路、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(jìn)行穩(wěn)恒控制的一種控制方式，實(shí)質(zhì)上是一個采用電流串聯(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)定一個無抖動的電壓，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)過放大后反饋回運(yùn)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(jìn)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(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(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(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(yuǎn)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(yuǎn)程計(jì)算機(jī)設(shè)定測試參數(shù)后，由驅(qū)動模塊產(chǎn)生步進(jìn)的驅(qū)動電流，參數(shù)檢測模塊將每個步進(jìn)點(diǎn)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(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器件的損傷，延長器件的使用壽命，設(shè)計(jì)了靜電保護(hù)電路和限幅電路。
2．4．1 靜電保護(hù)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(hù)開關(guān)。在SLD不進(jìn)行工作時開關(guān)閉合，這樣未開機(jī)時，SLD兩端的電極被短接，從而實(shí)現(xiàn)了防止靜電擊穿的功能。在實(shí)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(jì)基于比較器原理。圖4所示為設(shè)計(jì)的限幅保護(hù)電路，主要由集成運(yùn)放UA，儀表放大器UB和二極管D1組成。
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(jìn)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(jìn)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(shí)現(xiàn)了限幅保護(hù)的功能。
USET為保護(hù)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(jì)
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(dú)立驅(qū)動TEC，長時間控制精度可達(dá)士0．01℃，并且具有限流保護(hù)和溫度設(shè)定功能。溫度控制的執(zhí)行機(jī)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。
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(bǔ)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(dá)到溫度的恒定。
4 參數(shù)檢測模塊設(shè)計(jì)
該模塊采用高精度的儀表放大器來實(shí)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。
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(yùn)放輸出電壓即為運(yùn)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(jī)的8路10位ADC2模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)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：
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(jī)的16位ADC0模塊進(jìn)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(xiàng)參數(shù)經(jīng)過單片機(jī)處理后，可以通過液晶顯示器(LCD)實(shí)時顯示出來，方便用戶讀取實(shí)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(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲和進(jìn)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(jìn)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(diǎn)，其中設(shè)定驅(qū)動電流為130 mA。測量數(shù)據(jù)如圖8所示。
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(jì)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(diǎn)，設(shè)定輸出光功率為445μW。測量數(shù)據(jù)如圖9所示。
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(jì)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(jìn)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(jìn)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。
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(jì)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(jìn)行了LIV特性測試，其中步進(jìn)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(jìn)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(jì)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(jì)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(jìn)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(dá)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。