CN206235911U - 基于上下位机的apd温度、偏压控制系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及APD控制系统，具体是一种基于上下位机的APD温度、偏压控制系统。本实用新型解决了现有APD控制方法无法实现高稳定的光电转换、不利于提高探测器的灵敏度和信噪比、在光纤传感需要严格检测光信号强度的场合中并不适用的问题。基于上下位机的APD温度、偏压控制系统，包括上位机模块、下位机模块、APD光电转换模块、驱动电路；所述上位机模块包括第一单片机、触摸电路、显示电路、上位机通信电路；所述下位机模块包括第二单片机、数模转换器、偏压生成电路、模数转换器、下位机通信电路；所述APD光电转换模块包括数字温度传感器、APD、制冷片。本实用新型适用于光通信、光纤测温、激光测距等领域。
Description
技术领域
本实用新型涉及APD控制系统，具体是一种基于上下位机的APD温度、偏压控制系统。
背景技术
APD（Avalanche Photo Diode，雪崩光电二极管）是一种建立在内光电效应基础上的光电器件，通过其内部的雪崩增益效应，可以使得光生载流子-电子或空穴在高电场区通过碰撞电离产生新的电子-空穴对，形成雪崩倍增电流增益，从而显著提高器件的探测灵敏度和信噪比，因此在光通信、光纤测温、激光测距等领域常选用APD作为微弱光信号的探测单元。但在探测光信号时，APD的增益漂移将引起测量精度的恶化，甚至造成系统瘫痪。
理论上可以证明：APD的增益是其偏压V和温度T的函数，二者共同决定了APD的增益。为了保证APD的增益稳定，目前很多系统采用基于温度调节或强度稳定的控制方法。其中，基于温度调节的控制方法分为两种：第一种是基于温度控制的控制方法，该方法是在保证偏压不变的情况下通过温控电路保证APD的温度不变，然而该方法忽视了微小温度波动对于APD增益的影响，因此其无法实现高稳定的光电转换。第二种是基于电压补偿的方法，该方法是通过检测APD的温度变化动态调节APD两端的电压从而保持APD的增益不变，然而该方法忽视了温度对于APD暗噪声的影响，因此其不利于提高探测器的灵敏度和信噪比。基于强度稳定的控制方法是通过维持采集信号的强度稳定性来动态调整APD的偏压，该方法适用于通讯系统中数字信号的发送，但在光纤传感需要严格检测光信号强度的场合中并不适用。基于此，有必要发明一种全新的APD控制系统，以解决现有APD控制方法存在的上述问题。
发明内容
本实用新型为了解决现有APD控制方法无法实现高稳定的光电转换、不利于提高探测器的灵敏度和信噪比、在光纤传感需要严格检测光信号强度的场合中并不适用的问题，提供了一种基于上下位机的APD温度、偏压控制系统。
本实用新型是采用如下技术方案实现的：
基于上下位机的APD温度、偏压控制系统，包括上位机模块、下位机模块、APD光电转换模块、驱动电路；
所述上位机模块包括第一单片机、触摸电路、显示电路、上位机通信电路；触摸电路的输出端与第一单片机的输入端连接；显示电路的输入端与第一单片机的输出端连接；上位机通信电路与第一单片机双向连接；
所述下位机模块包括第二单片机、数模转换器、偏压生成电路、模数转换器、下位机通信电路；数模转换器的输入端与第二单片机的输出端连接；偏压生成电路的输入端与数模转换器的输出端连接；模数转换器的输入端与偏压生成电路的输出端连接；模数转换器的输出端与第二单片机的输入端连接；下位机通信电路分别与第二单片机和上位机通信电路双向连接；
所述APD光电转换模块包括APD、数字温度传感器、制冷片；APD的阳极接地、阴极与偏压生成电路的输出端连接；数字温度传感器和制冷片均与APD紧邻设置；数字温度传感器的输出端与第二单片机的输入端连接；
驱动电路的输入端与第二单片机的输出端连接；驱动电路的输出端与制冷片的输入端连接。
具体工作过程如下：数字温度传感器采集APD的温度数据，然后将采集到的温度数据发送至第二单片机。APD的偏压数据经模数转换器进行模数转换后发送至第二单片机。第二单片机对接收到的数据（温度数据和偏压数据）进行处理，然后依次通过下位机通信电路、上位机通信电路将处理后的数据（温度数据和偏压数据）发送至第一单片机。第一单片机一方面将接收到的数据（温度数据和偏压数据）发送至显示电路进行显示，另一方面根据触摸电路发送的触摸数据（该触摸数据是触摸电路根据用户的触摸操作生成的）生成控制指令，然后依次通过上位机通信电路、下位机通信电路将生成的控制指令发送至第二单片机。第二单片机根据接收到的控制指令和数据（温度数据和偏压数据）生成控制信号，然后将生成的控制信号分别发送至驱动电路和数模转换器。驱动电路根据接收到的控制信号驱动制冷片，由此对制冷片的温度进行控制，从而对APD的温度进行控制，使得APD的温度保持稳定。数模转换器对接收到的控制信号进行数模转换，然后将数模转换后的控制信号发送至偏压生成电路。偏压生成电路根据接收到的控制信号生成偏压，由此对APD的偏压进行控制，使得APD的偏压趋于稳定的同时亦可补偿微小温度波动对APD的增益的影响。在此过程中，所述控制指令包括APD的温度稳定值和偏压稳定值。用户通过触摸操作可以改变APD的温度稳定值和偏压稳定值，由此调节APD的增益大小。
基于上述过程，与现有APD控制方法相比，本实用新型所述的基于上下位机的APD温度、偏压控制系统通过采用全新的上下位机控制结构，实现了对APD的温度和偏压进行控制，由此保证了APD的增益稳定，从而具备了如下优点：一、与基于温度控制的控制方法相比，本实用新型充分考虑了微小温度波动对于APD增益的影响，因此其能够实现高稳定的光电转换。二、与基于电压补偿的方法相比，本实用新型充分考虑了温度对于APD暗噪声的影响，因此其有利于提高探测器的灵敏度和信噪比。三、与基于强度稳定的控制方法相比，本实用新型不仅适用于通讯系统中数字信号的发送，而且在光纤传感需要严格检测光信号强度的场合中同样适用。
本实用新型有效解决了现有APD控制方法无法实现高稳定的光电转换、不利于提高探测器的灵敏度和信噪比、在光纤传感需要严格检测光信号强度的场合中并不适用的问题，适用于光通信、光纤测温、激光测距等领域。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图。
图2是本实用新型中偏压生成电路的结构示意图。
具体实施方式
基于上下位机的APD温度、偏压控制系统，包括上位机模块、下位机模块、APD光电转换模块、驱动电路；
所述上位机模块包括第一单片机、触摸电路、显示电路、上位机通信电路；触摸电路的输出端与第一单片机的输入端连接；显示电路的输入端与第一单片机的输出端连接；上位机通信电路与第一单片机双向连接；
所述下位机模块包括第二单片机、数模转换器、偏压生成电路、模数转换器、下位机通信电路；数模转换器的输入端与第二单片机的输出端连接；偏压生成电路的输入端与数模转换器的输出端连接；模数转换器的输入端与偏压生成电路的输出端连接；模数转换器的输出端与第二单片机的输入端连接；下位机通信电路分别与第二单片机和上位机通信电路双向连接；
所述APD光电转换模块包括APD、数字温度传感器、制冷片；APD的阳极接地、阴极与偏压生成电路的输出端连接；数字温度传感器和制冷片均与APD紧邻设置；数字温度传感器的输出端与第二单片机的输入端连接；
驱动电路的输入端与第二单片机的输出端连接；驱动电路的输出端与制冷片的输入端连接。
所述偏压生成电路包括升压电路和滤波电路；升压电路的输入端作为偏压生成电路的输入端；滤波电路的输入端与升压电路的输出端连接；滤波电路的输出端作为偏压生成电路的输出端。
所述触摸电路和显示电路为集成有电阻触摸功能的TFT屏幕。
所述上位机通信电路和下位机通信电路均为CAN总线通信电路。
所述制冷片为半导体制冷片。
所述驱动电路为H桥驱动电路。
数模转换器的输入端通过SPI总线与第二单片机的输出端连接；模数转换器的输出端通过SPI总线与第二单片机的输入端连接；数字温度传感器的输出端通过IIC总线与第二单片机的输入端连接。
Claims (7)
1.一种基于上下位机的APD温度、偏压控制系统，其特征在于：包括上位机模块、下位机模块、APD光电转换模块、驱动电路；
所述上位机模块包括第一单片机、触摸电路、显示电路、上位机通信电路；触摸电路的输出端与第一单片机的输入端连接；显示电路的输入端与第一单片机的输出端连接；上位机通信电路与第一单片机双向连接；
所述下位机模块包括第二单片机、数模转换器、偏压生成电路、模数转换器、下位机通信电路；数模转换器的输入端与第二单片机的输出端连接；偏压生成电路的输入端与数模转换器的输出端连接；模数转换器的输入端与偏压生成电路的输出端连接；模数转换器的输出端与第二单片机的输入端连接；下位机通信电路分别与第二单片机和上位机通信电路双向连接；
所述APD光电转换模块包括APD、数字温度传感器、制冷片；APD的阳极接地、阴极与偏压生成电路的输出端连接；数字温度传感器和制冷片均与APD紧邻设置；数字温度传感器的输出端与第二单片机的输入端连接；
驱动电路的输入端与第二单片机的输出端连接；驱动电路的输出端与制冷片的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的基于上下位机的APD温度、偏压控制系统，其特征在于：所述偏压生成电路包括升压电路和滤波电路；升压电路的输入端作为偏压生成电路的输入端；滤波电路的输入端与升压电路的输出端连接；滤波电路的输出端作为偏压生成电路的输出端。
3.根据权利要求1所述的基于上下位机的APD温度、偏压控制系统，其特征在于：所述触摸电路和显示电路为集成有电阻触摸功能的TFT屏幕。
4.根据权利要求1所述的基于上下位机的APD温度、偏压控制系统，其特征在于：所述上位机通信电路和下位机通信电路均为CAN总线通信电路。
5.根据权利要求1所述的基于上下位机的APD温度、偏压控制系统，其特征在于：所述制冷片为半导体制冷片。
6.根据权利要求1所述的基于上下位机的APD温度、偏压控制系统，其特征在于：所述驱动电路为H桥驱动电路。
7.根据权利要求1所述的基于上下位机的APD温度、偏压控制系统，其特征在于：数模转换器的输入端通过SPI总线与第二单片机的输出端连接；模数转换器的输出端通过SPI总线与第二单片机的输入端连接；数字温度传感器的输出端通过IIC总线与第二单片机的输入端连接。
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