CN104596642A - 基于max1932的apd偏压温度补偿系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于MAX1932的APD偏压温度补偿的系统，包括：APD偏压温度补偿芯片、数字温度计、FPGA和数据处理控制单元，其中，APD偏压温度补偿芯片，进一步为设置在MAX1932内的APD偏压温度补偿芯片，与所述FPGA相耦接，用于补偿因温度和制造工艺而造成的雪崩增益变化；FPGA分别与APD偏压温度补偿芯片、数字温度计和数据处理控制单元相耦接，用于进行配置寄存器、数据读写；数字温度计与FPGA相耦接，用于测量温度并将其转换成温度数字量，与FPGA进行温度数字量的数据交互；数据处理控制单元与FPGA相耦接，用于和FPGA进行数据交互，对数据进行处理，控制所述FPGA进行读写操作。

Description

基于MAX1932的APD偏压温度补偿系统

技术领域

本发明属于通信测试领域，涉及一种基于MAX1932的APD偏压温度补偿系统。

背景技术

APD是通过在其结构中构造一个强电场去，当光入射到PN结后，光子被吸收产生电子-空穴对，这些电子-空穴对运动进入强电场区后获得能量做高速运动，该过程反复多次后使载流子雪崩式倍增。

APD光电检测器能对器件内部的光生载流子电流进行放大，即所谓内部倍增作用。这种倍增作用的大小与器件的工作偏置有关，其响应度随偏置电压的增加而增加，当其偏置接近击穿电压时，响应度急剧增加，这就是所谓的“雪崩”效应。正因为“雪崩”效应，在一定的输入光功率条件下，APD能够产生数倍于PIN光电流的光生电流，使其光电灵敏度更高，故APD常用于长程传输或DWDM等需要高接收灵敏度的光纤通信系统。但同时它也有一个很大的缺点，环境温度的变化对APD的特性影响很大，当温度升高时，APD的击穿电压VBR也随着上升，如果APD的工作电压(即高压)不变，APD的光电检测性能会变弱，灵敏度降低。如果要求APD工作于恒定增益，高压偏置电源必须能够改变，以补偿因温度和制造工艺而造成的雪崩增益变化。要获得恒定的增益，APD电源一般来讲必须具有大约+0.2％/℃的温度系数，大约相当于100mV/℃。

发明内容

本发明提供了一种基于MAX1932的APD偏压温度补偿系统，包括：APD偏压温度补偿芯片、数字温度计、FPGA和数据处理控制单元，其中，

所述APD偏压温度补偿芯片，进一步为设置在MAX1932内的APD偏压温度补偿芯片，与所述FPGA相耦接，用于补偿因温度和制造工艺而造成的雪崩增益变化；

所述FPGA，分别与所述APD偏压温度补偿芯片、数字温度计和数据处理控制单元相耦接，用于进行配置寄存器、数据读写；

所述数字温度计，与所述FPGA相耦接，用于测量温度并将其转换成温度数字量，与所述FPGA进行温度数字量的数据交互；

所述数据处理控制单元，与所述FPGA相耦接，用于和所述FPGA进行数据交互，对数据进行处理，控制所述FPGA进行读写操作。

优选地，所述APD偏压温度补偿芯片的初始偏置电压值为0.9VBR，输出电压按下述公式计算：

Vout＝90-(Code-1)×50/254；

Code＝[(90-Vout)×254+50]/50，

其中，Vout为所述APD偏压温度补偿芯片的输出电压，Code为输出电压代码。

优选地，所述MAX1932内设有8bit的数模转换器，电压调整率为195mV/bit。

优选地，所述数字温度计为DS7505低压数字温度计，设有温度寄存器，该数字温度计为在-55℃至+125℃的范围内提供9、10、11或12位数字温度读数的数字温度计，该数字温度计在-25℃至+100℃温度范围内精度为±0.5℃。

优选地，所述数字温度计与所述FPGA通过I2C接口相耦接；所述APD偏压温度补偿芯片与所述FPGA通过SPI接口相耦接；所述数据处理控制单元与所述FPGA通过PCI接口相耦接。

优选地，所述温度寄存器中包含D15-D0位，其中最高位D15为符号位，当最高位D15读出0时为正温度，当最高位D15读出1时为负温度。

优选地，所述数字温度计中温度值的计算方法为：

正温度值的计算方法为：读出温度寄存器的最高位D15为0时，温度值为(D14-D8数据位对应的十进制数)+D7×0.5；

负温度值的计算方法为：读出温度寄存器的最高位D15为1时，将各数据位取反加1求补码。

与现有技术相比，本发明所述的基于MAX1932的APD偏压温度补偿系统，达到了如下效果：

1)本发明的基于MAX1932的APD偏压温度补偿系统，能够根据环境温度准确自动补偿APD偏置电压，较好的满足了OTDR系统对APD测量精度的要求，具有优良的性能和很好的实用性。

2)本发明的基于MAX1932的APD偏压温度补偿系统采用数字方式进行控制，控制灵活简单，精度高。

3)本发明中电路简单，成本低，易于实现，数字方式，控制灵活，较高的稳定性及精度度，电路噪声系数小，信噪比高，易于调试等优点。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是本发明提供的APD偏压温度补偿系统的结构图。

具体实施方式

如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

实施例1

本实施例提供一种基于MAX1932的APD偏压温度补偿系统，包括：APD偏压温度补偿芯片101、数字温度计102、FPGA103和数据处理控制单元104，其中，

所述APD偏压温度补偿芯片101，进一步为基于MAX1932的APD偏压温度补偿芯片，与所述FPGA 103相耦接，用于补偿因温度和制造工艺二造成的雪崩增益变化；

所述FPGA 103，分别与所述APD偏压温度补偿芯片101、数字温度计102和数据处理控制单元104相耦接，用于进行配置寄存器、数据读写；

所述数字温度计102，与所述FPGA103相耦接，用于测量温度并将其转换成温度数字量，与所述FPGA103进行温度数字量的数据交互；

所述数据处理控制单元104，与所述FPGA 103相耦接，用于和所述FPGA103进行数据交互，对数据进行处理，控制所述FPGA 103进行读写操作。

本发明中的APD偏压温度补偿芯片101的初始偏置电压值为0.9VBR，输出电压按下述公式计算：

Vout＝90-(Code-1)×50/254；

Code＝[(90-Vout)×254+50]/50，

其中，Vout为所述APD偏压温度补偿芯片的输出电压，Code为输出电压代码。

MAX1932内设有8bit的数模转换器，电压调整率为195mV/bit

所述数字温度计102为DS7505低压数字温度计，设有温度寄存器，该温度计能够在-55℃至+125℃的范围内提供9、10、11或12位数字温度的读数，在-25℃至+100℃温度范围内精度可达±0.5℃。

从图1中可以看出所述数字温度计102与所述FPGA 103通过I2C接口相耦接；所述APD偏压温度补偿芯片101与所述FPGA 103通过SPI接口相耦接；所述数据处理控制单元104与所述FPGA 103通过PCI接口相耦接。

本发明中的DS7505低压数字温度计中的所述温度寄存器包含D15-D0位，其中最高位D15为符号位，当读出0时为正温度，读出1时为负温度。在读取数据时只读取整数部分即可(D15-D8位)，当然也可以读取更多位。

所述数字温度计102中温度值的计算方法为：

正温度值的计算方法为：读出温度寄存器的最高位D15为0时，温度值为(D14-D8数据位对应的十进制数)+D7×0.5；

负温度值的计算方法为：读出温度寄存器的最高位D15为1时，将各数据位取反加1求补码。

实施例2

在实施例1的基础上，实施例提供基于MAX1932的APD偏压温度补偿系统的应用实施例，结合图1，本实施例提供一种基于MAX1932的APD偏压温度补偿系统，包括：APD偏压温度补偿芯片101、数字温度计102、FPGA103和数据处理控制单元104，其中，

所述APD偏压温度补偿芯片101，进一步为基于MAX1932的APD偏压温度补偿芯片，与所述FPGA103相耦接，用于补偿因温度和制造工艺二造成的雪崩增益变化；

所述FPGA103，分别与所述APD偏压温度补偿芯片101、数字温度计102和数据处理控制单元104相耦接，用于进行配置寄存器、数据读写；

所述数字温度计102，与所述FPGA103相耦接，用于测量温度并将其转换成温度数字量，与所述FPGA103进行温度数字量的数据交互；

所述数据处理控制单元104，与所述FPGA103相耦接，用于和所述FPGA103进行数据交互，对数据进行处理，控制所述FPGA103进行读写操作。

本发明中的APD偏压温度补偿芯片101的初始偏置电压值为0.9VBR，输出电压按下述公式计算：

Vout＝90-(Code-1)×50/254；

Code＝[(90-Vout)×254+50]/50，

其中，Vout为所述APD偏压温度补偿芯片的输出电压，Code为输出电压代码。

MAX1932内设有8bit的数模转换器，电压调整率为195mV/bit。

所述数字温度计102为DS7505低压数字温度计，设有温度寄存器，该温度计能够在-55℃至+125℃的范围内提供9、10、11或12位数字温度的读数，在-25℃至+100℃温度范围内精度可达±0.5℃。

从图1中可以看出所述数字温度计102与所述FPGA103通过I2C接口相耦接；所述APD偏压温度补偿芯片101与所述FPGA103通过SPI接口相耦接；所述数据处理控制单元104与所述FPGA103通过PCI接口相耦接。

本发明中的DS7505低压数字温度计中的所述温度寄存器包含D15-D0位，其中最高位D15为符号位，当读出0时为正温度，读出1时为负温度。在读取数据时只读取整数部分即可(D15-D8位)，当然也可以读取更多位。

所述数字温度计102中温度值的计算方法为：

正温度值的计算方法为：读出温度寄存器的最高位D15为0时，温度值为(D14-D8数据位对应的十进制数)+D7×0.5；

负温度值的计算方法为：读出温度寄存器的最高位D15为1时，将各数据位取反加1求补码。

DS7505低压数字温度计，可实时检测APD的温度变化。通过固定时间间隔(如1秒或1分钟)读取DS7505的值和室温(25℃)进行比较，通过APD偏压温度补偿芯片的输出电压(VOUT)和温度变化的计算公式计算调整内部参考电压(DAC)的对应值，更新DAC的值来控制APD偏压温度补偿芯片的输出电压，使APD偏压温度补偿芯片在温度变化时雪崩增益保持稳定。

基于MAX1932的APD偏压温度补偿芯片可以通过内部DAC调整输出电压的范围，输出范围可以选择4.5V至15V、4.5V至45V、20V至60V或40V至90V，这里不做限定，选择范围更广，控制精度高。

在使用该系统时，将APD偏压温度补偿芯片的输出电压设置为40V至90V，当使用新的APD偏压温度补偿芯片时，将输出电压设置为20V至60V。电压量程选择不同，反馈电阻的设置值是不一样的。

每个APD偏压温度补偿芯片的初始偏置电压值设置为0.9VBR(VBR为APD的反向击穿电压)，输出电压计算公式为：

Vout＝90-(Code-1)*50/254

Code＝[(90-Vout)*254+50]/50

例如：

Vout＝90V:Code＝[(90-90)*254+50]/50＝1        十六进制值为0X01

Vout＝89.85V:Code＝[(90-89.85)*254+50]/50＝1  十六进制值为0X01

Vout＝89.70V:Code＝[(90-89.70)*254+50]/50＝2  十六进制值为0X02

Vout＝89.55V:Code＝[(90-89.55)*254+50]/50＝3  十六进制值为0X03

Vout＝89.40V:Code＝[(90-89.40)*254+50]/50＝4  十六进制值为0X04

Vout＝40V:Code＝[(90-40)*254+50]/50＝255       十六进制值为0XFF

Vout＝40.15V:Code＝[(90-40.15)*254+50]/50＝254 十六进制值为0XFE

Vout＝40.30V:Code＝[(90-40.30)*254+50]/50＝253 十六进制值为0XFD

Vout＝40.45V:Code＝[(90-40.45)*254+50]/50＝252 十六进制值为0XFC

Vout＝40.60V:Code＝[(90-40.60)*254+50]/50＝251 十六进制值为0XFB

在MAX1932的内部集成了一个8bit的数模转换器，电压的调整率约为195mV/bit。

本发明中的APD偏压温度补偿芯片的温度系数为0.2％，APD偏压温度补偿芯片的电压随温度的升高而增大，随温度的降低而减小，当偏置电压为65V时，偏置电压变化量为150mV/℃。这样可以通过检测APD偏压温度补偿芯片的温度变化来控制MAX1932的输出电压。

DS7505为低压(1.7V至3.7V)数字温度计和监测器能够在-55℃至+125℃范围内提供9、10、11或12位数字温度读数，-25℃至+100℃温度范围内精度可达±0.5℃。上电后，DS7505缺省设置为9位分辨率，软件兼容于LM75。通过简单的2线串口实现与DS7505低压数字温度计的通信。DS7505的芯片具有三个地址引脚，允许最多8个DS7505低压数字温度计挂接在同一2线总线，大大简化了分布式温度检测的设计。可以将3个地址位在硬件固定设置为000。

上电后，DS7505低压数字温度计立即开始测量其自身温度并将其转换成数字量。可配置输出数据的分辨率为9、10、11或12位，对应的温度增量分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，上电缺省状态为9位分辨率，分辨率可通过寄存器中的R0和R1位进行设置，可以使用默认配置。如表1所示中示出了温度寄存器的数据位，温度寄存器第3位至第0位通过硬件接至0电位，选择9位分辨率时，第15位至第7位是数据位，所有没有使用的位均为0。

表1 所示中示出了温度寄存器的数据位

本发明中的9位分辨率对应的温度值如下表：

表2 9位分辨率对应的温度值

最高位D15为符号位，读出0时为正温度，读出1时为负温度。

正温度值的计算方法：判断D15(符号位)，若为0，温度值＝(D14-D8对应的十进制数)+D7×0.5，符号位总为0；

负温度值的计算方法：判断D15(符号位)，若为1，将各数据位取反加1(求补码)，符号位总为1；

在读取温度值时，只读取整数部分即可，即读取D15-D8位。

本实施例中不使用DS7505的温度监测功能，O.S.输出浮空。

表3为DS7505低压数字温度计的配置寄存器表，表4为表3中配置寄存器表的进一步说明：

表3 DS7505低压数字温度计配置寄存器表：

MSB

Bit6

Bit5

Bit4

Bit3

Bit2

Bit1

LSB

NVB

R1

R0

F1

F0

POL

TM

SD

表4 DS7505低压数字温度计配置寄存器表：

上电后所有配置寄存器均使用默认值。

对DS7505低压数字温度计进行读/写操作时，用户必须“指定”要访问的寄存器。从DS7505读数据时，设定指针后，该指针将在更改之前一直保持指向同一寄存器。例如，如果用户需要从温度寄存器连续读取数据，只需将指针设置到温度寄存器一次，设置完毕后，所有读操作可自动读取温度寄存器的内容，直到指针改变为止。另一方面，写DS7505低压数字温度计时，即使对同一寄存器连续进行两次写操作，也必须在每次执行写操作前更新指针。

上电时，缺省指针值为温度寄存器，所以可以立即读取温度寄存器，无需重新设定指针。读温度只需要进行读单字节的操作。(读取温度寄存器的高8位，整数温度字节)。每次在需要读温度时，需要按照DS7505数据手册时序图进行操作。

与现有技术相比，本发明所述的基于MAX1932的APD偏压温度补偿系统，达到了如下效果：

1)本发明的基于MAX1932的APD偏压温度补偿系统，能够根据环境温度准确自动补偿APD偏置电压，较好的满足了OTDR系统对APD测量精度的要求，具有优良的性能和很好的实用性。

2)本发明的基于MAX1932的APD偏压温度补偿系统采用数字方式进行控制，控制灵活简单，精度高。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于MAX1932的APD偏压温度补偿系统，其特征在于，包括：APD偏压温度补偿芯片、数字温度计、FPGA和数据处理控制单元，其中，

所述APD偏压温度补偿芯片，进一步为设置在MAX1932内的APD偏压温度补偿芯片，与所述FPGA相耦接，用于补偿因温度和制造工艺而造成的雪崩增益变化；

所述FPGA，分别与所述APD偏压温度补偿芯片、数字温度计和数据处理控制单元相耦接，用于进行配置寄存器、数据读写；

所述数字温度计，与所述FPGA相耦接，用于测量温度并将其转换成温度数字量，与所述FPGA进行温度数字量的数据交互；

所述数据处理控制单元，与所述FPGA相耦接，用于和所述FPGA进行数据交互，对数据进行处理，控制所述FPGA进行读写操作。

2.根据权利要求1所述的APD偏压温度补偿系统，其特征在于，所述APD偏压温度补偿芯片的初始偏置电压值为0.9VBR，输出电压按下述公式计算：

Vout＝90-(Code-1)×50/254；

Code＝[(90-Vout)×254+50]/50，

其中，Vout为所述APD偏压温度补偿芯片的输出电压，Code为输出电压代码。

3.根据权利要求1所述的APD偏压温度补偿系统，其特征在于，所述MAX1932内设有8bit的数模转换器，电压调整率为195mV/bit。

4.根据权利要求1所述的APD偏压温度补偿系统，其特征在于，所述数字温度计为DS7505低压数字温度计，设有温度寄存器，该数字温度计为在-55℃至+125℃的范围内提供9、10、11或12位数字温度读数的数字温度计，该数字温度计在-25℃至+100℃温度范围内精度为±0.5℃。

5.根据权利要求1所述的APD偏压温度补偿系统，其特征在于，所述数字温度计与所述FPGA通过I2C接口相耦接；所述APD偏压温度补偿芯片与所述FPGA通过SPI接口相耦接；所述数据处理控制单元与所述FPGA通过PCI接口相耦接。

6.根据权利要求4所述的APD偏压温度补偿系统，其特征在于，所述温度寄存器中包含D15-D0位，其中最高位D15为符号位，当最高位D15读出0时为正温度，当最高位D15读出1时为负温度。

7.根据权利要求6所述的APD偏压温度补偿系统，其特征在于，所述数字温度计中温度值的计算方法为：

正温度值的计算方法为：读出温度寄存器的最高位D15为0时，温度值为(D14-D8数据位对应的十进制数)+D7×0.5；

负温度值的计算方法为：读出温度寄存器的最高位D15为1时，将各数据位取反加1求补码。