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為控制核心實現了便攜式的多功能超輻射發光二極管(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，實驗結果表明其長期驅動電流穩定度0．023％、光功率控制穩定度0．026％、溫度控制偏蘭0．03℃。同時利用該系統可實現器件LIV特性的自動測試，其結果可用于SLD性能的表征與評價。
關鍵詞：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，其工作特性會影響整個系統的性能及可靠性，因此研究如何對SLD特性參數進行快速準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。現有的特性測試系統多由分立設備組成，并且體積較大造價昂貴，也不具備現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便攜式的SLD測控系統設計方案，簡述了其總體設計，重點討論了系統實現中的關鍵技術，然后對實際系統進行了性能測試，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16位的ADC模塊、2個12位DAC模塊和1個8位的ADC模塊便構成了一個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，同時也大大降低了成本。整個系統主要由驅動模塊、溫度控制模塊、參數檢測模塊和人機接口模塊組成。其中驅動模塊為器件提供3種驅動方式：恒電流驅動、恒功率驅動和LIV測試；溫度控制模塊通過調節熱電制冷器的電流大小和方向來保持器件工作溫度穩定；參數采集模塊檢測出器件的驅動電流、管壓降、光功率、溫度控制電壓等數據，并送至微控制器的ADC模塊進行預處理，由LCD實時顯示；同時，通過鍵盤可以設定系統的工作方式和參數大小，如為LIV測試則上述數據可通過串口與計算機通信實現遠程控制。

2 驅動模塊設計
驅動模塊主要由驅動電路、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動方式、恒光功率驅動方式和LIV測試方式。
2．1 恒流驅動
恒流驅動是對SLD的注入電流進行穩恒控制的一種控制方式，實質上是一個采用電流串聯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成V-I轉換器，由此獲得相應的輸出電流，輸出電流流經取樣電阻R獲得取樣電壓，該取樣電壓經過放大后反饋回運算放大器的正向輸入端，通過與設定電壓的比較，對輸出電流進行控制，從而形成閉環反饋的動態平衡，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
恒功率驅動是對SLD的輸出光功率進行穩恒控制的一種控制方式，圖3所示為恒功率驅動電路原理圖。通過一個內部集成的光電探測器(PD)來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，通過前置放大電路將監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／數轉換。轉換后的數字量與設定數字量進行比較，對偏差進行補償，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。整個控制過程形成閉環動態平衡，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，采集到的數據以LIV特性識別曲線顯示，包括表示電抗特性的V-I曲線，表示光電轉化特性的L-I曲線。在LIV測試模式下，由遠程計算機設定測試參數后，由驅動模塊產生步進的驅動電流，參數檢測模塊將每個步進點的管壓降V，驅動電流I，光功率L自動記錄下來，并繪制LIV曲線。這些數據和曲線可用來分析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，設計了靜電保護電路和限幅電路。