CN212322091U - 一种基于stm32f4系列单片机的偏置点控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型具体涉及一种基于STM32F4系列单片机的偏置点控制装置，包括模拟部分和数字部分以及电源部分，所述数字部分包括有主控芯片电性连接有GPIO接口、USBTIL接口和指示灯，本技术方案的有益效果为：能实现‑9.9V到+9.9V的偏压控制范围，以覆盖常见调试器的四个特殊点范围。能产生1.5KHz的导频并施加在偏压上。能使用正负12V进行供电。输入Peak点光功率范围至少为0dBm～‑30dBm。系统能通过串口或者USB受到上位机或其他嵌入式设备的控制。具有一定IO扩展能力，系统的整体性能得到较好的提高。

Description

一种基于STM32F4系列单片机的偏置点控制装置

技术领域

本实用新型具体涉及一种基于STM32F4系列单片机的偏置点控制装置。

背景技术

马赫-曾德尔光调制器(Mach-Zehnder Modulator，MZM)的偏置点控制是光载射频传输链路中一项十分重要的技术。由于MZM本身容易受到外加电压、温湿度变化、自然老化等外在因素导致调制器偏置工作点发生漂移，从而引起原本输出的调制光信号失真和通信误码率的上升，进而导致整个系统的性能降低。因此针对此现象，本发明提供了一种以STM32F4系列单片机做主控芯片，利用导频信号的谐波分析方法实现了MZM的最大点、最小点、正线性点(Q+)、负线性点(Q-)以及其它任意点状态的控制。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种基于STM32F4系列单片机的偏置点控制装置，以达提高系统性能的目的。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种基于STM32F4系列单片机的偏置点控制装置，包括模拟部分和数字部分以及电源部分，所述数字部分包括有主控芯片电性连接有GPIO接口、USBTIL接口和指示灯，且主控芯片的输出端分别连接有外部DAC和信号调理模块，所述外部DAC的输出端连接在单端平移转差分模块上，单端平移转差分模块的输出端连接在同相放大器的输入端上，所述同相放大器的输出端和信号调理模块的输出端均连接在交直流叠加模块上，所述主控芯片另外2个输出端分别连接交直流耦合模块和量程切换网络模块，所述主控芯片双向连接有ADC采样模块，所述主控芯片接入电源。

优选的，所述主控芯片为1、STM32F4053RGT6主控芯片。

优选的，所述数字部分实现对上层设备的数字接口以及完成对ADC、DAC和模拟开关等器件的驱动。

优选的，所述模拟部分包括偏压输出模块和信号探测模块。

优选的，所述信号探测模块为光功率探测模块。

与现有技术相比，本技术方案的有益效果为：

能实现-9.9V到+9.9V的偏压控制范围，以覆盖常见调试器的四个特殊点范围。能产生1.5KHz的导频并施加在偏压上。能使用正负12V进行供电。输入Peak点光功率范围至少为0dBm--30dBm。系统能通过串口或者USB受到上位机或其他嵌入式设备的控制。具有一定IO扩展能力，系统的整体性能得到较好的提高。

附图说明

图1为本实用新型的系统组成结构示意图；

图2为本实用新型的光功率探测电路图；

图3为本实用新型的电路图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1至图3，本实用新型提供一种技术方案：一种基于STM32F4系列单片机的偏置点控制装置，包括模拟部分和数字部分以及电源部分，模拟部分包括偏压输出模块和信号探测模块。信号探测模块为光功率探测模块。数字部分实现对上层设备的数字接口以及完成对ADC、DAC和模拟开关等器件的驱动数字部分包括有主控芯片电性连接有GPIO接口、USBTIL接口和指示灯，且主控芯片的输出端分别连接有外部DAC和信号调理模块，主控芯片为1、STM32F4053RGT6主控芯片外部DAC的输出端连接在单端平移转差分模块上，单端平移转差分模块的输出端连接在同相放大器的输入端上，同相放大器的输出端和信号调理模块的输出端均连接在交直流叠加模块上，主控芯片另外2个输出端分别连接交直流耦合模块和量程切换网络模块，主控芯片双向连接有ADC采样模块，主控芯片接入电源。

1、STM32F4053RGT6主控芯片

本实用新型系统以STM32F4053RGT6为主控芯片。主要完成的功能是：实现偏压输出；产生导频信号；进行调制器输出光功率的探测与信号计算，并反馈到偏压端，构成闭环控制。

2、光功率探测模块

光敏二极管探头(PD)，可将外部接探测的光信号转化为电流信号，实现光电信号转换。转换过来的微弱电流信号经过TIA进行放大并转化为电压信号，取探头灵敏度为1mW/mA，则0dBm的光功率只有1mA电压，TIA的设计目标为0dBm输出1V电压，则跨阻为1Kohm，大动态范围由模拟开关控制接通不同的跨阻所确定，取10倍量程，则跨阻依次为1K,10K,100K,1M四个值，需要注意的是跨阻放大倍数非常大，必须并联小电容以消除放大器的自激振荡。

TIA之后为3倍放大电路，顺带进行简单的一阶有源低通滤波，使得满量程输出达到3V，此时直流已满足ADC输入范围0-3.3V的良好测量范围。

接下来的1:2通道选择决定了是交流信号还是直流信号进入后级，通过抗混叠滤波后，信号最终送入ADC。

ADC的输入保护是依赖于电源轨，整个探测电路部分供电统一采用3.3V，因此对于ADC而言几乎不存在因为输入电压导致ADC的损坏，统一的供电电平也简化了模拟电源的设计。

最后输出到ADC输入端的计算公式如下：

V_DCout＝k*P_optical(DC)*R_f*3

V_ACout＝(k*P_optical(AC)sin(ωt)*R_f*3*21)+1.65

其中Rf为TIA的跨阻阻值，依据量程不同分别取1k、10k、100k和1M，k为光电二极管的电流光功率响应度，本设计在1550nm时约为0.9mA/mW。交流耦合中带有固定1.65V的偏置以适应ADC输入范围。

图2光功率探测模块结构图

3、偏压输出模块

偏压输出电路的设计思想是先分别产生直流偏压值和导频，然后将二者合并到一起送入调制器的偏压端。

输出的偏压可以归纳为下面的公式：

V_bias＝(V_dac8551-1.65)*6+V_STM32DAC sin(ωt)/10

其中Vdac8551为外部DAC的输出电压(直流)，而VSTM32DAC为MCU产生的正弦波导频的幅度。因为两个dac输出范围为0-3.3V，易得直流偏置幅度范围为-9.9V到+9.9V，导频幅度为0V-0.165V，二者叠加后仍然在12V运放电源轨运行范围内且保留了足够的净空。

电路改进：

1、应当在调制器偏压输出端增加多阶的低通滤波电路，可以降低电路噪声通过偏压端影响到光路(可以通过取消运放U7B而改为输出端的二阶有源低通滤波，这就不需要引入额外的电路成本了)

2、实际上，本系统的光功率探测电路噪声水平非常低，使得ADC的量化和非线性的噪声不可忽略，但是一二次谐波共用一套放大链路，一次谐波的巨大幅度限制了放大倍数。如果可能，应当对探测到一次谐波和二次谐波进行分离，并对二次谐波进行更高倍数的放大以凸显二次谐波信号，理论上有可能使得正交点的谐波探测更灵敏，锁定稳定度也更高。或者采用相干的方法抑制一次谐波和噪声，暴露二次谐波。

本发明的优点及功效包括：

能实现到+9.9V的偏压控制范围，以覆盖常见调试器的四个特殊点范围。

能产生1.5KHz的导频并施加在偏压上，幅度要求覆盖到0.1％Vπ和2％Vπ，且导频在频谱上应不出现其倍频(或非常小)。

要求能从输出中分析出导频信号的基频和倍频，因而需要具有相应的带宽，较低的噪底。

要求能进行12KHzSPS采样率的信号采集能力，16位以上分辨率。

在上述采样率条件下，具有连续实时采样并进行处理的能力。

能使用正负12V进行供电。

输入Peak点光功率范围至少为0dBm--30dBm

系统能通过串口或者USB受到上位机或其他嵌入式设备的控制。

具有一定IO扩展能力。

设计考虑方便调试和器件采购。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种基于STM32F4系列单片机的偏置点控制装置，其特征在于：包括模拟部分和数字部分以及电源部分，所述数字部分包括有主控芯片电性连接有GPIO接口、USBTIL接口和指示灯，且主控芯片的输出端分别连接有外部DAC和信号调理模块，所述外部DAC的输出端连接在单端平移转差分模块上，单端平移转差分模块的输出端连接在同相放大器的输入端上，所述同相放大器的输出端和信号调理模块的输出端均连接在交直流叠加模块上，所述主控芯片另外2个输出端分别连接交直流耦合模块和量程切换网络模块，所述主控芯片双向连接有ADC采样模块，所述主控芯片接入电源。

2.如权利要求1所述的基于STM32F4系列单片机的偏置点控制装置，其特征在于：所述主控芯片为1、STM32F4053RGT6主控芯片。

3.如权利要求1所述的基于STM32F4系列单片机的偏置点控制装置，其特征在于：所述数字部分实现对上层设备的数字接口以及完成对ADC、DAC和模拟开关等器件的驱动。

4.如权利要求1所述的基于STM32F4系列单片机的偏置点控制装置，其特征在于：所述模拟部分包括偏压输出模块和信号探测模块。

5.如权利要求4所述的基于STM32F4系列单片机的偏置点控制装置，其特征在于：所述信号探测模块为光功率探测模块。

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