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)。該系統(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%、溫度控制偏差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； 微控制器C8051F； 參數(shù)檢測(cè)； 特征測(cè)試

中圖分類號(hào)：TN91934 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004373X（2012）22014304

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。現(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［1］。

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)［2］，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［34］。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VI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

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VI曲線，表示光電轉(zhuǎn)化特性的LI曲線［57］。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。

2.4.1 靜電保護(hù)電路

將一個(gè)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(kāi)關(guān)。在SLD不進(jìn)行工作時(shí)開(kāi)關(guān)閉合，這樣未開(kāi)機(jī)時(shí)，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(kāi)關(guān)外，在SLD的兩個(gè)電極并聯(lián)一個(gè)二極管，防止器件由于極性接反而損壞；還在SLD的陽(yáng)極和陰極之間并連一個(gè)電容，這個(gè)電容不但可以限制SLD兩端電壓突變，還可以濾除SLD驅(qū)動(dòng)電流上的高頻干擾電流。

2.4.2 限幅電路

每個(gè)SLD都有安全工作電流范圍，如果電流超過(guò)此范圍，SLD將會(huì)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。

圖4 限幅電路工作時(shí)，輸入電壓UI作用于驅(qū)動(dòng)電路，并將流過(guò)SLD的電流經(jīng)過(guò)取樣電阻進(jìn)行IV轉(zhuǎn)換后由UB采樣得到取樣電阻的壓差Usample，由式（1）可知UI=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(shí)，UA輸出UO1>0，所以D1截止，UI直接作用在驅(qū)動(dòng)電路上；當(dāng)輸入電壓值UI大于設(shè)定值USET時(shí)，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(huì)對(duì)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(dòng)TEC，長(zhǎng)時(shí)間控制精度可達(dá) ±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。

圖6 溫度控制原理圖由微控制器的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(guò)向TEC提供雙向的驅(qū)動(dòng)電流來(lái)控制TEC的加熱和制冷作用。當(dāng)SLD管芯溫度變化時(shí)，NTC感測(cè)溫度的變化并將溫度的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò)返回ADN8830。ADN8830通過(guò)自身的內(nèi)部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)調(diào)整輸入TEC電流的方向和大小，形成閉環(huán)控制過(guò)程，從而達(dá)到溫度的恒定［8］。

4 參數(shù)檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

該模塊采用高精度的儀表放大器來(lái)實(shí)時(shí)測(cè)量SLD的管壓降、驅(qū)動(dòng)電流、光功率和溫度控制電壓等。參數(shù)檢測(cè)模塊原理如圖7所示［910］。

選用高精度儀表放大器AD620來(lái)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(shí)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(hào)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(dòng)電流值。

圖7 參數(shù)檢測(cè)模塊原理圖熱敏電阻兩端的電壓為：VRT=RTR+RTVE

（2）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(duì)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(cè)部分已知分光器件的輸入分光比為5%，同時(shí)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(hào)放大轉(zhuǎn)換成光電壓信號(hào)，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(cè)輸出光功率的大小。

將測(cè)量所得的各項(xiàng)參數(shù)經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理后，可以通過(guò)液晶顯示器（LCD）實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，方便用戶讀取實(shí)時(shí)的工作參數(shù)。也可以經(jīng)過(guò)串口將測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)和進(jìn)一步分析。

5 系統(tǒng)性能測(cè)試與分析

為評(píng)價(jià)該系統(tǒng)的性能，利用該系統(tǒng)對(duì)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(cè)試、恒功率穩(wěn)定性測(cè)試、溫度控制穩(wěn)定性測(cè)試和LIV測(cè)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(dòng)電流穩(wěn)定性測(cè)試

在室溫下，采用恒流模式連續(xù)測(cè)量2 h的驅(qū)動(dòng)電流，每2 min采一個(gè)點(diǎn)，其中設(shè)定驅(qū)動(dòng)電流為130 mA。測(cè)量數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 驅(qū)動(dòng)電流穩(wěn)定度由上圖可以得出，驅(qū)動(dòng)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(cè)試

在室溫下，采用恒光功率模式連續(xù)測(cè)量2個(gè)小時(shí)輸出光功率，每2分鐘采一個(gè)點(diǎn)，設(shè)定輸出光功率為445 μW。測(cè)量數(shù)據(jù)如圖9所示。

圖9 輸出功率穩(wěn)定度由上圖可以得出，輸出最大光功率為445.344 μW，最小光功率為445.222 μW，平均值為445.292 μW。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(cè)試

由于不能夠直接對(duì)SLD組件內(nèi)部溫度進(jìn)行測(cè)量，因此通過(guò)測(cè)量熱敏電阻兩端的電壓來(lái)間接的評(píng)定溫度控制穩(wěn)定度。在室溫下進(jìn)行了2 h測(cè)試，其中控制溫度設(shè)定在25 ℃。測(cè)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16 Ω，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(cè)試

利用該系統(tǒng)對(duì)該器件還進(jìn)行了LIV特性測(cè)試，其中步進(jìn)電流為5 mA，驅(qū)動(dòng)范圍為0～130 mA，測(cè)量數(shù)據(jù)如圖11所示。

圖11 LIV測(cè)試曲線對(duì)LI曲線進(jìn)行擬合后可得光功率與驅(qū)動(dòng)電流的關(guān)系為L(zhǎng)=-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=5.45 μW/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(cè)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成程度高、體積小、操作簡(jiǎn)單，在便攜式的同時(shí)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(dòng)，包括恒流驅(qū)動(dòng)、恒功率驅(qū)動(dòng)和恒溫度控制；同時(shí)還可以作為L(zhǎng)IV測(cè)試系統(tǒng)對(duì)器件進(jìn)行特性測(cè)試與表征。

測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有很好的性能，其中恒流驅(qū)動(dòng)和恒功率驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性達(dá)到10-4量級(jí)，溫度控制偏差為0.03 ℃。同時(shí)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(dòng)與測(cè)量。