CN106020321A - 一种apd阵列芯片偏置电压全自动温度补偿方法 - Google Patents

一种apd阵列芯片偏置电压全自动温度补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种APD阵列芯片偏置电压全自动温度补偿方法。一、建立一个补偿装置，包括APD阵列芯片、热敏电阻、AD转换器I、匹配电阻、AD转换器II、微处理器、数字电位器、输出可调高压模块、蜂鸣器和显示模块。二、微处理器读取AD转换器I的值，计算热敏电阻的阻值，计算出数字电位器应当输出的电阻值。三、数字电位器输出相应的电阻值至输出可调高压模块的控制端，APD阵列芯片就得到了当前工作温度下所需的偏置电压。四、AD转换器II采集输出可调高压模块输出的电压值，如果该电压值异常，微处理器会立即调整数字电位器的输出电阻，并触发蜂鸣器报警和显示模块闪烁显示。本发明实现了APD阵列芯片反向偏置电压的全自动温度补偿功能。

Description

一种APD阵列芯片偏置电压全自动温度补偿方法
技术领域
本发明涉及APD偏置电压调节技术，特别是一种APD阵列偏置高压全自动温度补偿方法。
背景技术
反向高压偏置下的APD（雪崩光电二极管）经光照射后会使流过APD的电流产生雪崩倍增效应。APD反向偏置电压越接近雪崩击穿电压，雪崩倍增效应就越显著，但同时会产生淹没有用信号的附加噪声效应，因此精确控制APD反向偏置电压成为APD实际应用的最大难题。由于雪崩击穿电压随温度发生变化，故需控制APD偏置高压也跟随温度变化。
《光通信技术》期刊2014年12期“基于ADL5317和LM35的APD偏压温度补偿电路设计”；《电子设计工程》2015年2月（23卷第3期）“基于TPS40210的APD偏压温补电路设计”，都公开了APD偏压温度补偿电路设计，其不足之处在于：需要手动调整电路中多个元件参数，高压模块电压范围小、且调节不方便。《光学与光电技术》期刊2013年4期“具有温度补偿的APD数控偏压电路”；《工业控制计算机》2012年第25卷第3期，“基于DSP 的雪崩光电二极管数控偏压源设计”，它们的不足之处在于：虽然采用了微控制器，但是高压模块部分元件仍然需要手动调节；而且温度测量电路较复杂。
现有的温度补偿方法中还没有针对APD阵列芯片的，都只限于单只APD，而且都需要手动调整部分电路参数，没有实现全自动温度补偿。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述系统存在的问题，提供了一种采用热敏电阻、数字电位器、输出可调高压模块和微处理器的适用于APD（雪崩光电二极管）阵列芯片偏置电压全自动温度补偿方法。
具体步骤为：
一、建立一个APD阵列偏置电压全自动温度补偿装置，包括一片APD阵列芯片、一只热敏电阻、AD（模拟数字）转换器I、匹配电阻、AD（模拟数字）转换器II、一个微处理器、一个数字电位器、一个输出可调高压模块、一个蜂鸣器和一个显示模块。热敏电阻固定在APD阵列芯片上，AD转换器I连接热敏电阻，输出可调高压模块输出端连接AD转换器II和APD阵列芯片，输出可调高压模块控制端与数字电位器连接，微处理器连接AD转换器I、AD转换器II、数字电位器、蜂鸣器和显示模块。
APD阵列芯片，芯片上集成了多个APD单元，这些APD单元可构成1xN直线型阵列和NxN方型阵列，其中：N为5-16。
热敏电阻，用作温度传感器，其电阻值大小能够反映APD阵列芯片工作温度。
AD转换器I，用于采集热敏电阻的分压。
匹配电阻，用于将热敏电阻与温度的指数型非线性函数关系转化为线性函数关系，保证采样灵敏度的一致性。
微处理器，用于读取AD转换器I的值，计算热敏电阻值，再查表得到APD阵列芯片工作温度，然后控制数字电位器输出合适的电阻值至输出可调高压模块；所述的微处理器还要读取AD转换器II的值，从而获取输出可调高压模块实际输出值；所述的微处理器也要控制蜂鸣器报警以及显示模块完成显示。
数字电位器，由微处理器控制输出合适的电阻值，从而使输出可调高压模块输出APD阵列芯片在当前工作温度下所需的偏置电压值，保证阵列芯片上的各个APD单元处于接近雪崩的高增益状态。
输出可调高压模块，根据数字电位器的电阻值输出相应的高压值至APD阵列芯片。
AD转换器II，用于实时采集输出可调高压模块输出的电压值，防止输出可调高压模块因故障而损坏昂贵的APD阵列芯片。
蜂鸣器，当输出可调高压模块输出电压异常时发出报警。
显示模块，用于显示热敏电阻分压值、热敏电阻的阻值、APD阵列芯片工作温度、数字电位器输出值和输出可调高压模块输出电压值。
二、微处理器读取AD转换器I的值，以此获取热敏电阻分压值。
三、微处理器根据所采用的分压电路形式计算出热敏电阻的阻值。
四、微处理器在程序存储器中查询热敏电阻与温度关系表格，获取APD阵列芯片的当前工作温度。
五、微处理器根据APD阵列芯片当前工作温度计算出所述的阵列芯片所需的偏置电压值，所述的偏置电压值即为输出可调高压模块应当输出的电压值。
六、微处理器根据输出可调高压模块的输出电压与控制电压关系曲线计算出数字电位器应当输出的电阻值。
七、微处理器控制数字电位器输出相应的电阻值至输出可调高压模块的控制端，输出可调高压模块则由输出端输出对应的电压至APD阵列芯片，这样APD阵列芯片就得到了当前工作温度下所需的偏置电压。
八、微处理器控制AD转换器II采集输出可调高压模块的输出电压值，并判断所述的输出电压值是否处在合理电压范围。
九、如果所述的输出电压值异常，微处理器将立即调整数字电位器的输出电阻，并触发蜂鸣器报警和显示模块闪烁显示，有效避免损坏昂贵的APD阵列芯片。
本发明的APD阵列芯片偏置高压全自动温度补偿系统，通过检测热敏电阻的阻值得出APD阵列芯片工作温度，从而得到所需最佳反向偏置电压，再利用数字电位器改变输出可调高压模块的输出电压，使APD阵列芯片获得与当前工作温度匹配的反向偏置电压，实现了APD阵列芯片反向偏置电压的全自动温度补偿功能。
本发明的优点在于：（1）使用热敏电阻作为APD阵列芯片工作温度采集的温度传感器，体积小，灵敏度高。（2）用数字电位器连接输出可调高压模块控制端，这样微处理器只需根据测出的热敏电阻值控制数字电位器输出，无需人为干预或使用其它手动调节器件，就可使输出可调高压模块输出电压值自动跟随APD阵列芯片工作温度的变化，实现了全自动温度补偿。（3）通过增加一只匹配电阻将热敏电阻与温度的指数型非线性函数关系转化为线性函数关系，电路结构简单，同时还保证了采样灵敏度的一致性。（4）采用微处理器内置的AD转换器，无需增加AD转换器芯片不会引起电路板面积增加。（5）用AD转换器II采集输出可调高压模块实际输出电压值，对价格昂贵的APD阵列芯片起到了安全保护作用。
附图说明
图1为本发明APD阵列偏置电压全自动温度补偿装置结构框图。
图2本发明APD阵列偏置电压全自动温度补偿装置热敏电阻采样图。
图3本发明APD阵列偏置电压全自动温度补偿装置微处理器控制流程图。
具体实施方式
实施例：
一、如图1所示，建立一个APD阵列偏置电压全自动温度补偿装置，由APD阵列芯片101、热敏电阻108、AD转换器I 107、匹配电阻110、AD转换器II 105、微处理器102、数字电位器103、输出可调高压模块104、蜂鸣器109和显示模块106构成。热敏电阻108固定在APD阵列芯片101上；AD转换器I连接热敏电阻108和匹配电阻110；输出可调高压模块104的输出端连接AD转换器II 105和APD阵列芯片101；输出可调高压模块104的控制端与数字电位器103连接；微处理器102连接AD转换器I 107、AD转换器II 105、数字电位器103、显示模块106和蜂鸣器109。
APD阵列芯片101，本实施例选用德国First sensor公司生产的5x5 APD方型阵列芯片，该芯片上集成了25个APD单元，这些APD单元构成5x5方型阵列。
热敏电阻108，用作温度传感器，其电阻值会随温度发生变化，本实施例选用美国Vishay公司生产的带玻璃护套的高精度负温度系数NTC热敏电阻，封装为0805贴片，体积小，灵敏度高，并将其固定在APD阵列芯片上，使其电阻值跟随APD阵列芯片101当前工作温度而变化。
AD转换器I 107，用于采集热敏电阻108的分压。本实施例中的AD转换器I 107使用微处理器102的内置AD转换器，这样无需增加额外的AD转换芯片，不会造成温度补偿系统电路板面积增加。
匹配电阻110，是一个与热敏电阻108相连的高精度电阻，用于将热敏电阻与温度的指数型非线性函数关系转化为线性函数关系，保证采样灵敏度的一致性。
微处理器102，选用意法半导体公司生产的ARM Cortex M3架构的STM32F103RCT6微处理器。用于读取AD转换器I 107的值，计算热敏电阻108的阻值，再查表获取APD阵列芯片101的工作温度，然后控制数字电位器103输出合适的值至输出可调高压模块104的控制端；微处理器102还用于读取AD转换器II 105的值，从而获取输出可调高压模块104的实际输出值，当输出可调高压模块104输出异常时由微处理器102还要控制蜂鸣器109发出报警；微处理器102也要控制显示模块106显示热敏电阻108的阻值，APD阵列芯片101的当前工作温度，数字电位器103的输出电阻值和输出可调高压模块104实际输出高压值，所述的高压值即为APD阵列芯片101获得的经温度补偿后的偏置电压值。
数字电位器103，选用Microchip公司生产的10kΩ数字电位器，型号为MCP41010。微处理器102将根据APD阵列芯片101的当前工作温度来控制数字电位器103输出合适的电阻值至输出可调高压模块104的控制端，从而使输出可调高压模块104输出APD阵列芯片101在当前工作温度下所需的偏置电压值，保证APD阵列芯片101上的25个APD单元处于接近雪崩的高增益状态。由于使用了数字电位器103，微处理器102只需根据测出的热敏电阻值控制数字电位器103输出，无需人为干预或使用其它手动调节器件，就可使输出可调高压模块104输出电压值自动跟随APD阵列芯片101工作温度的变化，实现了全自动温度补偿。
输出可调高压模块104，选用天津东文公司生产的0-300V输出可调型高压模块。输出可调高压模块104的控制端连接数字电位器103的电阻输出端，输出可调高压模块104的输出端连接APD阵列芯片101，为该芯片提供合适的偏置电压。
AD转换器II 105，用于实时采集输出可调高压模块104输出的电压值，可防止输出可调高压模块104发生故障而损坏昂贵的APD阵列芯片101。为了不增加整个温度补偿系统体积，本实施例中的AD转换器II 105也是使用微处理器102的内置AD转换器。
蜂鸣器109，当输出可调高压模块104输出电压异常时发出报警。
显示模块106，选用紧凑型文字液晶模块。用于显示热敏电阻108的分压值及电阻值，APD阵列芯片101的工作温度，数字电位器103的电阻值，输出可调高压模块104的输出电压值。还在输出可调高压模块104输出电压异常时进行闪烁显示。
图2 为热敏电阻采样图，包括：热敏电阻108，AD转换器I 107，匹配电阻110。本实施例中，匹配电阻110 采用了美国Vishay公司生产的低温度漂移、高稳定性电阻；热敏电阻108则采用Vishay公司的带玻璃护套的高精度NTC热敏电阻。所述的采样电路结构简单，精度高，实现了热敏电阻与温度的指数型非线性函数的线性化，保证了采样灵敏度的一致性。
二、微处理器102读取AD转换器I 107的值，计算热敏电阻108的阻值，再查表获取APD阵列芯片101的当前工作温度，然后计算出数字电位器103应当输出的电阻值。
三、数字电位器103输出相应的电阻值至输出可调高压模块104的控制端，输出可调高压模块104则由输出端输出对应的电压至APD阵列芯片101，这样APD阵列芯片101就得到了当前工作温度下所需的偏置电压。
四、AD转换器II 105采集输出可调高压模块104输出的电压值，如果该电压值异常，微处理器102会立即调整数字电位器103的输出电阻，并触发蜂鸣器109报警和显示模块106闪烁显示，有效避免因输出可调高压模块104异常对昂贵的APD阵列芯片101造成损坏。
APD阵列偏置电压全自动温度补偿装置的微处理器控制具体流程见图3，微处理器102作为本实施例的控制单元是运行在嵌入式操作系统uC/OS II上，本实施例共建立4个工作任务，分别是：AD转换任务，计算任务，显示及报警任务和开始任务。该流程图开始于步骤S301。
在步骤S302，微处理器102对系统硬件进行配置，同时也对嵌入式操作系统uC/OSII进行初始化，为执行后续各项任务准备工作环境。
在步骤S303，uC/OS II启动开始任务。
在步骤S304，开始任务执行期间，uC/OS II创建了其它三个任务，分别是：AD转换任务，计算任务，显示与报警任务，所述的三个任务创建完成后，开始任务即被挂起。此后在uC/OS II调度下，微处理器102以时间片轮转方式同时运行所述的三个任务，即：步骤S305-S309的AD转换任务，步骤S310-S316的计算任务，步骤S317-S325的显示与报警任务是同时运行的。
在步骤S305，微处理器102开始运行AD转换任务。
在步骤S306，微处理器102控制AD转换器I 107和AD转换器II 105进行AD转换。
在步骤S307，微处理器102发送 AD转换器I 107的转换结果到邮箱1，所述的邮箱是一种在不同任务间实现通信的机制。
在步骤S308，微处理器102发送 AD转换器I 107的转换结果到邮箱2。
在步骤S309，微处理器102发送 AD转换器II 105的转换结果到邮箱3。
在步骤S310，微处理器102开始运行计算任务。
在步骤S311，计算任务查询邮箱1，看是否收到在步骤S307发送的AD转换器I 107的转换结果，如果收到则立即转入步骤S312，否则延时达到后进入步骤S312。
在步骤S312，微处理器102根据AD转换器I 107的转换结果计算得到热敏电阻108的电阻值，然后查程序存储器中热敏电阻阻值与温度的对照表格就可得到APD阵列芯片101的当前工作温度。
在步骤S313，微处理器102发送消息到邮箱4，所述的消息内容为APD阵列芯片101当前工作温度。
在步骤S314，微处理器102根据APD阵列芯片101当前工作温度计算出APD阵列芯片101在该工作温度下所需的偏置电压值，在根据输出可调高压模块的输出与控制关系曲线计算出数字电位器103应该输出的电阻值。
在步骤S315，控制数字电位器103输出计算得到的电阻值至输出可调高压模块104控制端，则输出可调高压模块104输出在步骤S314中所述的偏置电压值，这样APD阵列芯片101就获得了温度补偿后的偏置电压。
在步骤S316，微处理器102发送消息到邮箱5，所述的消息内容为步骤S314计算出的数字电位器103应输出的电阻值和APD阵列芯片101所需的偏置电压值。
在步骤S317，微处理器102开始运行显示与报警任务。
在步骤S318，显示与报警任务查询邮箱2，看是否收到在步骤S308发送的AD转换器I 107的转换结果，如果收到则立即转入步骤S319，否则延时达到后进入步骤S319。
在步骤S319，显示热敏电阻108的分压值，所述的分压值是由AD转换器I 107的转换结果换算得到的。
在步骤S320，显示与报警任务查询邮箱3，看是否收到在步骤S309发送的AD转换器II 105的转换结果，如果收到则立即转入步骤S321，否则延时达到后进入步骤S321。
在步骤S321，显示输出可调高压模块104的输出电压值，所述的输出电压值是由AD转换器II 105的转换结果换算得到的，如果所述的输出电压值异常则蜂鸣器报警，并且显示模块进行闪烁显示。
在步骤S322，显示与报警任务查询邮箱4，看是否收到在步骤S313发送的消息，如果收到则立即转入步骤S323，否则延时达到后进入步骤S323。
在步骤S323，显示APD阵列芯片101的当前工作温度。
在步骤S324，显示与报警任务查询邮箱5，看是否收到在步骤S316发送的数字电位器103应输出的电阻值和APD阵列芯片101所需的偏置电压值，如果收到则立即转入步骤S325，否则延时达到后进入步骤S325。
在步骤S325，显示数字电位器103应输出的电阻值和APD阵列芯片101所需的偏置电压值。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域内熟练的技术人员可以在所附权利要求的范围内做出各种变形和修改。

Claims (1)

1.一种APD阵列芯片偏置电压全自动温度补偿方法，其特征在于具体步骤为：
一、建立一个APD阵列偏置电压全自动温度补偿装置，包括一片APD阵列芯片、一只热敏电阻、AD转换器I、匹配电阻、AD转换器II、一个微处理器、一个数字电位器、一个输出可调高压模块、一个蜂鸣器和一个显示模块；热敏电阻固定在APD阵列芯片上，AD转换器I连接热敏电阻，输出可调高压模块输出端连接AD转换器II和APD阵列芯片，输出可调高压模块控制端与数字电位器连接，微处理器连接AD转换器I、AD转换器II、数字电位器、蜂鸣器和显示模块；
APD阵列芯片，芯片上集成了多个APD单元，这些APD单元可构成1xN直线型阵列和NxN方型阵列，其中：N为5-16；
热敏电阻，用作温度传感器，其电阻值大小能够反映APD阵列芯片工作温度；
AD转换器I，用于采集热敏电阻的分压；
匹配电阻，用于将热敏电阻与温度的指数型非线性函数关系转化为线性函数关系，保证采样灵敏度的一致性；
微处理器，用于读取AD转换器I的值，计算热敏电阻值，再查表得到APD阵列芯片工作温度，然后控制数字电位器输出合适的电阻值至输出可调高压模块；所述的微处理器还要读取AD转换器II的值，从而获取输出可调高压模块实际输出值；所述的微处理器也要控制蜂鸣器报警以及显示模块完成显示；
数字电位器，由微处理器控制输出合适的电阻值，从而使输出可调高压模块输出APD阵列芯片在当前工作温度下所需的偏置电压值，保证阵列芯片上的各个APD单元处于接近雪崩的高增益状态；
输出可调高压模块，根据数字电位器的电阻值输出相应的高压值至APD阵列芯片；
AD转换器II，用于实时采集输出可调高压模块输出的电压值，防止输出可调高压模块因故障而损坏昂贵的APD阵列芯片；
蜂鸣器，当输出可调高压模块输出电压异常时发出报警；
显示模块，用于显示热敏电阻分压值、热敏电阻的阻值、APD阵列芯片工作温度、数字电位器输出值和输出可调高压模块输出电压值；
二、微处理器读取AD转换器I的值，以此获取热敏电阻分压值；
三、微处理器根据所采用的分压电路形式计算出热敏电阻的阻值；
四、微处理器在程序存储器中查询热敏电阻与温度关系表格，获取APD阵列芯片的当前工作温度；
五、微处理器根据APD阵列芯片当前工作温度计算出所述的阵列芯片所需的偏置电压值，所述的偏置电压值即为输出可调高压模块应当输出的电压值；
六、微处理器根据输出可调高压模块的输出电压与控制电压关系曲线计算出数字电位器应当输出的电阻值；
七、微处理器控制数字电位器输出相应的电阻值至输出可调高压模块的控制端，输出可调高压模块则由输出端输出对应的电压至APD阵列芯片，这样APD阵列芯片就得到了当前工作温度下所需的偏置电压；
八、微处理器控制AD转换器II采集输出可调高压模块的输出电压值，并判断所述的输出电压值是否处在合理电压范围；
九、如果所述的输出电压值异常，微处理器将立即调整数字电位器的输出电阻，并触发蜂鸣器报警和显示模块闪烁显示，有效避免损坏昂贵的APD阵列芯片；
所述AD转换器即为模拟数字转换器。
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