CN112179490B - 一种宽变化频率及范围的光强度检测电路和方法 - Google Patents

一种宽变化频率及范围的光强度检测电路和方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种宽变化频率及范围的光强度检测电路和方法，其包括APD、逻辑控制模块、电压可调的DC‑DC高压模块、APD偏置电压调节模块、APD偏置电压检测模块和电流采集模块；逻辑控制模块根据获取的无感电阻的电压值计算APD的导通电流；并进一步根据获取的无感电阻的电压值以及APD的偏置电压调节DC‑DC高压模块的电压输出大小，以使得APD的导通电流保持设定的第一区间范围以及APD的偏置电压保持在设定的第二区间范围。本发明提高了光强检测的精确度。

Description

一种宽变化频率及范围的光强度检测电路和方法
技术领域
本发明涉及眼部测量设备技术领域，特别是一种宽变化频率及范围的光强度检测电路和方法。
背景技术
雪崩光电二极管(以下简称为APD)是一种建立在内光电效应基础上的光电器件。雪崩光电二极管具有内部增益和放大的作用，一个光子可以产生几十甚至上百对光生电子空穴对，从而起到放大光功率的作用。雪崩光电二极管工作在反向偏压下。在一定范围的反向偏压下，偏压越高，产生的光生电子空穴对越多，即发生雪崩效应，使信号电流放大。
目前，在使用相干光干涉原理实现的眼轴长测量方法中，需要检测光强度，通过对光强度的分析，提取出光干涉信号，从而判断光干涉信号形成的位置信息，计算出眼轴长。在此过程中，光强度变化频率在1KHz-10MHz之间，电流在10nA-1mA范围内；因此需要设计一种能够适应高精度、高增益要求的光强度检测电路。
发明内容
针对上述问题，本发明旨在提供一种宽变化频率及范围的光强度检测电路和方法。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
第一方面，提出一种光强度检测电路，包括：APD、逻辑控制模块、电压可调的DC-DC高压模块、APD偏置电压调节模块、APD偏置电压检测模块和电流采集模块；其中，
DC-DC高压模块的输入端与直流电源连接，DC-DC高压模块的输出端与APD连接，用于为APD提供偏置电压；
APD偏置电压调节模块分别与逻辑控制模块和DC-DC高压模块连接，用于根据逻辑控制模块发出的调节信号调节DC-DC高压模块的输出电压；
APD偏置电压检测模块分别与逻辑控制模块和APD连接，用于实时采集APD的偏置电压数据并输入到逻辑控制模块；
电流采集模块包括无感电阻和电阻电压检测单元，无感电阻串联于APD的电流回路中；电阻电压检测单元分别与逻辑控制模块和无感电阻连接，用于实时采集无感电阻的电压值并输入到逻辑控制模块；
逻辑控制模块根据获取的无感电阻的电压值计算APD的导通电流；并进一步根据获取的无感电阻的电压值以及APD的偏置电压调节DC-DC高压模块的电压输出大小，以使得APD 的导通电流保持设定的第一区间范围以及APD的偏置电压保持在设定的第二区间范围。
在一种实施方式中，逻辑控制模块与APD偏置电压检测模块之间设置有ADC模块，APD 偏置电压检测模块采集的偏置电压信号经ADC模块后输入到逻辑控制模块。
在一种实施方式中，逻辑控制模块与APD偏置电压调节模块之间设置有DAC模块，逻辑控制模块输出的APD偏置电压调节信号经DAC模块后形成模拟电压输入到APD偏置电压调节模块；由APD偏置电压调节模块根据输入的模拟电压调节DC-DC高压模块的输出电压。
在一种实施方式中，逻辑控制模块与电阻电压检测单元之间设置有ADC模块；电阻电压检测单元采集的无感电阻的电压信号经ADC模块后输入到逻辑控制模块。
在一种实施方式中，DC-DC高压模块输出电压范围为92-200V；无感电阻的电阻值为 1-10K欧姆。
第二方面，根据上述第一方面任一种实施方式提出的光强度检测电路，提出一种光强度检测方法，其应用于逻辑控制模块，包括：
获取由APD偏置电压检测模块采集的APD偏执电压数据；将获取的APD偏置电压与设定的第一区间范围进行比对，若APD偏置电压在第一区间范围内，则不进行调节；若APD偏置电压低于第一区间范围，则通过APD偏置电压调节模块提高DC-DC高压模块的输出电压；若APD偏置电压高于第一区间范围，则通过APD偏置电压调节模块降低DC-DC高压模块的输出电压；
当光源照射APD时，获取电阻电压检测单元采集的无感电阻电压值，并计算APD的导通电流；将获取的APD导通电流与设定的第二区间范围进行比对，若APD的导通电流小于第二区间范围的下限值，则通过APD偏置电压调节模块提高DC-DC高压模块的输出电压；若APD的导通电流高于第二区间范围的上限值，则通过APD偏置电压调节模块降低DC-DC 高压模块的输出电压。
在一种实施方式中，该方法还包括：还包括存储第一区间范围和第二区间范围的上下限值。
在一种实施方式中，该方法还包括：当在根据APD导通电流与设定的第二区间范围进行比对调节DC-DC高压模块的输出电压时；若使得APD偏置电压高于或低于第一区间范围，则向上层系统发出警报信息。
本发明的有益效果为：
1)本申请提出的光强度检测电路，其采用APD对光强度进行检测；同时该电路中设置有逻辑控制模块对APD偏置电压进行实时调节，使得APD式中工作在高增益状态，提高了APD对微光强变化分辨能力。
2)通过对APD偏置电压的多级调控，使得APD适用于多种光强度范围检测。
3)通过设置高阻值无感电阻对APD导通电流进行检测，实现微小电流的检测，能够检测宽频率范围电流变化。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1为本发明的光强度检测电路结构图；
图2为本发明一种实施方式中光强度检测电路采集的电流数据波形图。
具体实施方式
结合以下应用场景对本发明作进一步描述。
参见图1，其示出一种光强度检测电路，包括：APD、逻辑控制模块、电压可调的DC-DC 高压模块、APD偏置电压调节模块、APD偏置电压检测模块和电流采集模块；其中，
DC-DC高压模块的输入端与直流电源连接，DC-DC高压模块的输出端与APD连接，用于为APD提供偏置电压；
APD偏置电压调节模块分别与逻辑控制模块和DC-DC高压模块连接，用于根据逻辑控制模块发出的调节信号调节DC-DC高压模块的输出电压；
APD偏置电压检测模块分别与逻辑控制模块和APD连接，用于实时采集APD的偏置电压数据并输入到逻辑控制模块；
电流采集模块包括无感电阻和电阻电压检测单元，无感电阻串联于APD的电流回路中；电阻电压检测单元分别与逻辑控制模块和无感电阻连接，用于实时采集无感电阻的电压值并输入到逻辑控制模块；
逻辑控制模块根据获取的无感电阻的电压值计算APD的导通电流(APD电流)，其中I(APD)＝V(无感电阻电压)/R(无感电阻阻值)；并进一步根据获取的无感电阻的电压值以及 APD的偏置电压调节DC-DC高压模块的电压输出大小，以使得APD的导通电流保持设定的第一区间范围以及APD的偏置电压保持在设定的第二区间范围。
针对现有技术中通过APD检测光强度数据的方案中，对APD施加电压值固定的偏执电压的情况，由于电流增益效果会随温度变化，因此随着运行时间增加或者发光器件老化等情况，使得光功率降低，从而导致APD测量结果的准确性降低的问题。本申请基于电压可调的 DC-DC高压模块为APD提供偏置电压，其中DC-DC高压模块中通过运放电路调节实现输出电压的调节。电路中设置有APD偏置电压调节模块对该运放电路的放大参数进行控制，以调节DC-DC高压模块的输出电压。
在一种实施方式中，DC-DC高压模块选用电平参考方式进行线性调节的DC-DC高压模块；
运放电路中选用高带宽、低温漂、低噪声的轨到轨运算放大器。
在一种实施方式中，其中电平参考方式具体为DC-DC高压模块的输出电压在92-200V 区间内随参考电平0-4V线性变化；其中该参考电平由APD偏置电压调节模块提供。
同时，针对DC-DC高压模块输出的APD偏置电压，电路中设置有APD偏置电压检测模块对其进行实时采集，并输入到逻辑控制模块中；逻辑控制模块控制APD偏置电压调节模块对DC-DC高压模块输出的APD偏置电压进行调节，形成一级闭环调节系统，使得APD偏置电压始终运作在最佳范围，使得APD保持最佳的检测状态。(当偏置电压接近某一最佳电压时，APD电流倍增最大，此时APD对光强度检测的敏感度越高。)
针对APD导通电流为小微电流(10nA-1mA级别)，现有技术中采用霍尔传感器或电流互感器的方式进行采集会存在价格高昂或者高频容易饱的问题。本申请光检检测电路中设置高阻值(1-10K欧姆)无感电阻来进行APD导通电流的采集，能够适应小微电流采集的问题，同时解决了普通高阻值电阻在高电流变化频率(1KHz-10MHz级别)随频率增加电感特性增强、电流变化敏感度降低的问题。
在设置无感电阻的基础上，设置电阻电压检测单元来对无感电阻的电压数据进行采集，并输入到逻辑控制模块中，由逻辑控制模块根据采集的无感电阻电压数据计算APD导通电流，并根据该APD导通电流，控制APD偏置电压调节模块对DC-DC高压模块输出的APD偏置电压进行调节；形成二级闭环调节系统，以使得该电流数据式中维持在最佳的范围区间内。
在上述光强度检测电路的基础上，逻辑控制模块将采集到的APD电流数据可通过USB、 I2C、RS232、RS485等数据接口传输至上位机(PC、MCU、ARM等)，根据数据可分析出光强度的变化幅度、变化周期等信息。
上述光强度检测电路能够适应应用于眼轴长测量仪器中，同时，也能够适用于其他需要对宽变化频率及范围的光强度检测仪器；应用范围广。
在一种实施方式中，逻辑控制模块与APD偏置电压检测模块之间设置有ADC模块，APD 偏置电压检测模块采集的偏置电压信号经ADC模块后输入到逻辑控制模块；
在一种实施方式中，逻辑控制模块与APD偏置电压调节模块之间设置有DAC模块，逻辑控制模块输出的APD偏置电压调节信号(数字信号0-4096)经DAC模块后形成模拟电压(0-4V)输入到APD偏置电压调节模块；由APD偏置电压调节模块根据输入的模拟电压调节DC-DC高压模块，使其输出电压调节范围在92-200V。
在一种实施方式中，逻辑控制模块与电阻电压检测单元之间设置有DAC模块；电阻电压检测单元采集的无感电阻的电压信号经DAC模块后输入到逻辑控制模块。
在一种实施方式中，DC-DC高压模块输出电压范围为92-200V；无感电阻的电阻值为 1-10K欧姆。
上述提出的光强度检测电路，其工作原理为：通过在逻辑控制模块中，设置针对APD偏置电压最佳调节范围(第一区间范围)，通过APD偏置电压检测模块采集APD偏置电压的实时数据，通过ADC模块后输入到逻辑控制模块；逻辑控制模块内部对采集到的APD偏置电压进行比对，若APD电压在最佳调节范围内则不进行调整；若APD偏置电压低于最佳调节范围，则通过APD偏置电压调节模块提高DC-DC高压模块输出的APD偏置电压，若APD 偏置电压高于最佳调节范围，则通过APD偏置电压调节模块降低DC-DC高压模块输出的 APD偏置电压；通过上述调节，使得APD偏置电压调节模块与APD偏置电压采集模块形成一级闭环调节系统，避免了由于APD偏置电压过大时APD电流过高造成无感电阻采集到的数据超出ADC模块量程，形成无效数据，以及避免过高的APD偏置电压造成的反向击穿现象。
无感电阻采集电流变化频率范围在1KHz-10MHz级别的小微电流变化(10nA-1mA级别)。通过在逻辑控制模块中，设置存储无感电阻采集数据的最佳区间范围(第二区间范围)，在固定光强度变化范围及频率的光源照射APD时，通过电阻电压检测单元采集无感电阻的电压，并通过ADC模块上传至逻辑控制模块，由逻辑控制模块根据无感电阻电压以及无感电阻的阻值计算通过无感电阻采集的电流；逻辑控制模块根据无感电阻采集的电流与设置的最佳区间范围进行比较，若无感电阻采集的电流低于最佳区间下限值，则通过APD偏置电压控制模块提高APD偏置电压；若无感电阻采集的电流高于最佳区间上限值，则通过APD偏置电压控制模块降低APD偏置电压，使得无感电阻测量到的电流数据式中在最佳区间范围内。通过电阻电压采集单元以及APD偏置电压控制模块形成APD偏置电压二级闭环系统，该系统确保了无感电阻采集值使用处于最佳区间范围，为后期数据处理提供了可靠数据保障。
同时，若二级闭环系统在调节APD偏置电压时，使其高于/低于针对一级闭环系统所设置的最佳调节范围，则说明光源功率低于/高于设备正常工作范围，逻辑控制单元可对上层系统进行报警。
通过两级闭环系统控制，使电流采集数据始终处于最佳增益状态，且APD偏置电压不会达到APD反向击穿电压。从而实现APD对于低功率快速变化光强度的最佳增益采集且提高了整套光强度检测电路采集方案的可靠性及安全性，降低了无效数据的概率。
同时，根据上述第一方面任一种实施方式提出的光强度检测电路，提出一种光强度检测方法，其应用于逻辑控制模块，包括：
获取由APD偏置电压检测模块采集的APD偏执电压数据；将获取的APD偏置电压与设定的第一区间范围进行比对，若APD偏置电压在第一区间范围内，则不进行调节；若APD偏置电压低于第一区间范围，则通过APD偏置电压调节模块提高DC-DC高压模块的输出电压；若APD偏置电压高于第一区间范围，则通过APD偏置电压调节模块降低DC-DC高压模块的输出电压。
当光源照射APD时；获取电阻电压检测单元采集的无感电阻电压值，并计算APD的导通电流；将获取的APD导通电流与设定的第二区间范围进行比对，若APD的导通电流小于第二区间范围的下限值，则通过APD偏置电压调节模块提高DC-DC高压模块的输出电压；若APD的导通电流高于第二区间范围的上限值，则通过APD偏置电压调节模块降低DC-DC 高压模块的输出电压；
在一种实施方式中，该方法还包括：还包括存储第一区间范围和第二区间范围的上下限值。
在一种实施方式中，该方法还包括：当在根据APD导通电流与设定的第二区间范围进行比对调节DC-DC高压模块的输出电压时；若使得APD偏置电压高于或低于第一区间范围，则向上层系统发出警报信息。
上述提出的光强检测电路及方法，能够适用于眼科光学测量仪器，以及其他需要对宽变化频率及范围的光强度检测仪器及应用场景的需要。
参见图2，其示出了一种光源强度为10μW，光强变化频率为549.5KHz，光强变化幅度为1μW的光源照射到APD偏置电压为136V，APD串联10K无感电阻的光强度检测电路，其采集的电流数据的波形图。
从该波形图可以看出经光强度检测电路采集的电流数据变化敏感度高，能够准确反映出光强度变化特性。为后续进一步根据光强度变化特性进行眼轴长检测等奠定了基础。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当分析，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (7)

1.一种光强度检测电路，其特征在于，包括：APD、逻辑控制模块、电压可调的DC-DC高压模块、APD偏置电压调节模块、APD偏置电压检测模块和电流采集模块；其中，
所述DC-DC高压模块的输入端与直流电源连接，所述DC-DC高压模块的输出端与所述APD连接，用于为所述APD提供偏置电压；
所述APD偏置电压调节模块分别与所述逻辑控制模块和DC-DC高压模块连接，用于根据逻辑控制模块发出的调节信号调节所述DC-DC高压模块的输出电压；
所述APD偏置电压检测模块分别与所述逻辑控制模块和APD连接，用于实时采集APD的偏置电压数据并输入到逻辑控制模块；
所述电流采集模块包括无感电阻和电阻电压检测单元，所述无感电阻串联于APD的电流回路中；所述电阻电压检测单元分别与所述逻辑控制模块和无感电阻连接，用于实时采集无感电阻的电压值并输入到逻辑控制模块；
所述逻辑控制模块根据获取的无感电阻的电压值计算APD的导通电流；并进一步根据获取的无感电阻的电压值以及APD的偏置电压调节DC-DC高压模块的电压输出大小，以使得APD的导通电流保持设定的第一区间范围以及APD的偏置电压保持在设定的第二区间范围。
2.根据权利要求1所述的一种光强度检测电路，其特征在于，所述逻辑控制模块与所述APD偏置电压检测模块之间设置有ADC模块，所述APD偏置电压检测模块采集的偏置电压信号经ADC模块后输入到逻辑控制模块；和/或
所述逻辑控制模块与APD偏置电压调节模块之间设置有DAC模块；所述逻辑控制模块输出的APD偏置电压调节信号经DAC模块后形成模拟电压输入到APD偏置电压调节模块；由APD偏置电压调节模块根据输入的模拟电压调节所述DC-DC高压模块的输出电压。
3.根据权利要求1所述的一种光强度检测电路，其特征在于，所述逻辑控制模块与所述电阻电压检测单元之间设置有ADC模块；所述电阻电压检测单元采集的无感电阻的电压信号经ADC模块后输入到逻辑控制模块。
4.根据权利要求1所述的一种光强度检测电路，其特征在于，所述DC-DC高压模块输出电压范围为92-200V；所述无感电阻的电阻值为1-10K欧姆。
5.一种根据权利要求1-4中任一项所述的光强度检测电路的光强度检测方法，其应用于逻辑控制模块，其特征在于，包括：
获取由APD偏置电压检测模块采集的APD偏置 电压数据；将获取的APD偏置电压与设定的第一区间范围进行比对，若APD偏置电压在第一区间范围内，则不进行调节；若APD 偏置电压低于第一区间范围，则通过APD偏置电压调节模块提高DC-DC高压模块的输出电压；若APD偏置电压高于第一区间范围，则通过APD偏置电压调节模块降低DC-DC高压模块的输出电压；
当光源照射APD时，获取电阻电压检测单元采集的无感电阻电压值，并计算APD的导通电流；将获取的APD导通电流与设定的第二区间范围进行比对，若APD的导通电流小于第二区间范围的下限值，则通过APD偏置电压调节模块提高DC-DC高压模块的输出电压；若APD的导通电流高于第二区间范围的上限值，则通过APD偏置电压调节模块降低DC-DC高压模块的输出电压。
6.根据权利要求5所述的一种光强度检测方法，其特征在于，还包括存储所述第一区间范围和第二区间范围的上下限值。
7.根据权利要求5所述的一种光强度检测方法，其特征在于，当在根据APD导通电流与设定的第二区间范围进行比对调节DC-DC高压模块的输出电压时；若使得APD偏置电压高于或低于第一区间范围，则向上层系统发出警报信息。
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