专利名称：雪崩光电二极管增益稳定的控制装置和控制方法
技术领域：
本发明属于智能控制领域，是一种雪崩光电二极管增益稳定的控制装置和控制方 法，特别涉及处理因APD温漂而引起增益变化从而使采集信号增益不稳定的情况，采用本 方法可以使采集信号达到在系统预设的范围内稳定的目的。
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。但 是，APD放大增益的稳定性受其内部温漂变化影响严重，而增益不稳定会直接影响采集信号 的准确度。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APD工 作时的增益。在入射光功率和APD偏压一定时，理想状态下APD采集的信号应该稳定。实际情 况是采集信号由于受到很多因素的影响，尤其是APD温漂的影响，因此采集到的信号的增 益是不稳定的。在某些场合下，对采集信号的增益稳定度有严格要求，因此需要采取相应的控制 调节方法，来满足某些系统要求采集到的信号基本不变或在允许的范围内变化的要求。目前很多系统选择采用基于温度调节的控制的方法，一是采用温控电路保证APD 工作温度不变，从而保证电路放大增益稳定；另一种是通过实时测试APD工作的温度反馈 调节APD偏置电压，从而使本来因温漂而变化的放大增益得到偏置电压的补偿而保持不 变。基于温度控制的方法对温控装置精度要求高，因而成本高；而基于温度采集的偏压控制 方法则需要有很精确的APD的温度偏压曲线以及精确的APD的工作温度，而且由于需要测 试APD的温度，测温系统也容易对APD产生干扰，操作复杂，可靠性差。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种雪崩光电二极管增益稳定 的控制装置和控制方法，以解决雪崩光电二极管增益稳定性的问题，实现雪崩光电二极管 采集到的信号基本不变或在允许的范围内变化的要求。为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案一种雪崩光电二极管增益稳定的控制装置，特点在于其构成包括偏压控制电路、 APD探测电路、数据采集卡和计算机，所述的偏压控制电路由2. 5伏参考电压源、宏晶单片 机、数模转换器、电平转换器和电压转换器组成；所述的APD探测电路由雪崩光电二极管、 第一运算放大器、第二运算放大器和第三运算放大器依次连接组成；该雪崩光电二极管的 偏压输入端口与所述的偏压控制电路的电压转换器的输出端口相连，所述的第三运算放大 器的输出端经所述的数据采集卡和计算机的输入端相连，所述的计算机的输出端与所述的偏压控制电路的输入端相连；所述的2. 5伏参考电压源为数模转换器提供参考电压，所述 的宏晶单片机通过电平转换器与所述的计算机进行通信，接受计算机的偏压调节指令，并 且控制数模转换器进行数模转换，由电压转换器向所述的雪崩光电二极管输出并施加偏 压。利用上述雪崩光电二极管增益稳定的控制装置对雪崩光电二极管增益稳定的控 制方法，包括下列步骤①当一个光强度稳定的微弱的光脉冲被所述的APD探测电路的雪崩光电二极管 探测后，所述的APD探测电路将微弱的光信号转化成模拟电信号并放大，该模拟电信号经 过数据采集卡转换成数字信号后输入所述的计算机；②所述的计算机将采集的数字信号进行累加平均获得平均数字信号，将该平均数 字信号与设定值进行比较当平均数字信号与设定信号值的差值的绝对值小于设定值的允 许范围，采集到的平均数字信号直接输送至下一级；当平均数字信号与设定信号值的差值 的绝对值超过设定值的允许范围，且平均数字信号大于设定信号值，则向所述的偏压控制 电路发送减小偏压控制命令；当平均数字信号与设定信号值的差值的绝对值超过设定值的 允许范围且平均数字信号小于设定信号值，则向所述的偏压控制电路发送增大偏压控制命 令；③所述的偏压控制电路接收偏压控制命令，按偏压控制命令向所述的APD探测电 路的雪崩光电二极管施加偏压；④重复步骤②和③。所述的允许范围由雪崩光电二极管增益稳定的要求决定，为设定信号值的 0. 1%。本发明的技术效果本发明的特点在于避开温度控制或基于温度的反馈控制方法的复杂和不可靠性， 通过直接判断采集得到的信号来决定反馈控制命令本发明选择采用通过计算机直接判断数字信号的不稳定度来确定是否对APD偏 置电压进行调节，忽略APD温漂和其他因素影响的中间过程，通过计算机判断采集到的数 字信号与设定参考信号值的差别大小，向偏压控制电路发送偏置电压调节命令，调节APD 的偏置电压，确保APD增益稳定，从而达到保持采集到的数字信号基本稳定的目的，方法更 直接、有效、简单、可靠，具有很强的实用和商用价值。由于本发明直接判断计算机内采集到的数字信号的大小和不稳定度，通过偏置控 制电路调节APD偏压，不需要采用温度控制系统来控制APD的温度，也不需要通过测量APD 的温度来产生反馈的偏置电压就可得到系统要求的稳定输出，少了温度控制部分或者测试 温度反馈偏压部分，系统控制方法简单直接，可靠性大大提高，特别适用于输入光功率稳 定、对采集到的信号稳定度要求高的精密探测场合，适用于智能控制系统。
图1——本发明雪崩光电二极管增益稳定的控制装置框图；图2——偏压控制电路框图；
图3——APD探测电路框图4——本发明控制流程图。
具体实施例方式下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。请参阅图1，图1是本发明雪崩光电二极管增益稳定的控制装置框图，装置由偏压 控制电路1、APD探测电路2、数据采集卡3和计算机4组成。其中偏压控制电路1有偏压 控制命令输入端口和偏压输出端口 ；APD探测电路2有光信号输入端口，偏压输入端口和模 拟电信号输出端口 ；数据采集卡有模拟信号输入端口，计算机4有偏压控制命令输出端口 和数字信号输出端口。计算机4通过偏压控制命令输出端口与偏压控制电路1的偏压控制 命令输入端口相接，偏压控制电路1通过偏压输出端口与APD探测电路2的偏压输入端口 相接，光信号进入APD探测电路2的光信号输入端口，APD探测电路的模拟信号输出端口与 采集卡3的模拟信号输入端口相接，采集卡3通过PCI插槽与计算机4的主板相接，计算机 4通过偏压控制命令输出端口与偏压控制电路1的偏压控制命令输入端口相接。请参阅图2，图2是偏压控制电路1框图，所述的偏压控制电路1由2. 5伏参考电 压源1-1、宏晶单片机1-2、数模转换器1-3、电平转换器1-4和电压转换器1-5组成；具体构 成是2. 5伏参考电压源1-1为MAX6102，宏晶单片机1_2是STC12C2052，数模转换器1_3是 MAX5304,电平转换器 1-4 是 MAX232，电压转换器 1_5 是 MAX5(^6。STC12C2052 通过 MAX232 用串口与计算机4进行通信，接受计算机4偏压调节指令，并且控制MAX5304进行数模转 换，MAX6102为MAX5304提供参考电压，使MAX5304能在稳定的参考电压下输出精确的模拟 信号，对MAX5(^6的输出电压进行精确调节。请参阅图3，图3所示的是APD探测电路框图，所述的APD探测电路2由雪崩光电 二极管2-1、第一运算放大器2-2、第二运算放大器2-3和第三运算放大器2-4依次连接组 成；雪崩光电二极管2-1是APD-1300，所述的第一运算放大器2-2、第二运算放大器2_3和 第三运算放大器2-4由THS4601组成。THS4601是运算放大器。THS46012-2形成前置放大 电路，而第二运算放大器2-3和第三运算放大器2-4形成主放大电路，进一步放大信号。请参阅图4，图4——本发明控制流程图，利用所述的雪崩光电二极管增益稳定的 控制装置对雪崩光电二极管增益稳定的方法，包括下列步骤①当一个光强度稳定的微弱的光脉冲被所述的APD探测电路2的雪崩光电二极管 2-1探测后，所述的APD探测电路2将微弱的光信号转化成模拟电信号并放大，该模拟电信 号经过数据采集卡3转换成数字信号后输入所述的计算机4 ；②所述的计算机4将采集的数字信号进行累加平均获得平均数字信号，将该平均 数字信号与设定值进行比较当平均数字信号与设定信号值的差值的绝对值小于设定值的 1 %，采集到的平均数字信号直接输送至下一级；当平均数字信号与设定信号值的差值的绝 对值超过设定值的1%，且平均数字信号大于设定信号值，则向所述的偏压控制电路1发送 减小偏压控制命令；若当平均数字信号与设定信号值的差值的绝对值超过设定值的且 平均数字信号小于设定信号值，则向所述的偏压控制电路1发送增大偏压控制命令；③所述的偏压控制电路1接收偏压控制命令，按偏压控制命令向所述的APD探测 电路2的雪崩光电二极管2-1施加偏压；
④重复步骤②和③。需要说明的是本发明实施的光强度稳定的微弱的光脉冲的形成是将入射光纤 的前10米绕成直径IOcm的光纤圈，使其处于室温的状态，以稳定的光脉冲射入光纤，在这 10米的光纤圈中散射光的强度是稳定的。稳定的微弱散射光被所述的雪崩光电二极管2-1 探测，本发明要解决的技术问题是APD探测电路2的输出也应该是稳定的上述装置中区别与现有装置的特殊地方在于，利用计算机直接判断数字信号的大 小和不稳定度，从而向偏压控制电路发出偏压控制调节命令，能最直接有效的得到稳定的 数字信号，控制方法简单直接，特别适用于输入光功率稳定、对采集到的数字信号稳定度要 求高的精密探测场合，具有很强的实用价值。实验表明本发明的特点是避开了控制APD温度恒定的方法或基于温度的反馈偏 压控制方法的复杂和不可靠性，能简单有效的提高采集到的数字信号的稳定度和可靠性， 方法直接、有效、简单、可靠，具有很强的实用和商用价值。本发明已以一实例披露如上，然该实例并非用以限定本发明，本领域技术人员，在 不脱离本发明的精神和范围的前提下，可作进一步的更动与润饰。本发明的保护范围以权 利要求的范围为准。
权利要求
1.一种雪崩光电二极管增益稳定的控制装置，特征在于其构成包括偏压控制电路 (1)、APD探测电路(2)、数据采集卡(3)和计算机(4)，所述的偏压控制电路(1)由2. 5伏 参考电压源(1-1)、宏晶单片机(1-2)、数模转换器(1-3)、电平转换器(1-4)和电压转换器 (1-5)组成；所述的APD探测电路O)由雪崩光电二极管0-1)、第一运算放大器0-2)、 第二运算放大器(2- 和第三运算放大器(2-4)依次连接组成；该雪崩光电二极管(2-1) 的偏压输入端口与所述的偏压控制电路(1)的电压转换器(1-5)的输出端口相连，所述的 第三运算放大器0-4)的输出端经所述的数据采集卡( 和计算机的输入端相连，所 述的计算机的输出端与所述的偏压控制电路(1)的输入端相连；所述的2. 5伏参考电 压源(1-1)为数模转换器(1-3)提供参考电压，所述的宏晶单片机(1-2)通过电平转换器 (1-4)与所述的计算机(4)进行通信，接受计算机(4)的偏压调节指令，并且控制数模转换 器(1-3)进行数模转换，由电压转换器(1-5)向所述的雪崩光电二极管(2-1)输出并施加 偏压。
2.利用权利要求1所述的雪崩光电二极管增益稳定的控制装置对雪崩光电二极管增 益稳定的控制方法，其特征在于包括下列步骤①当一个光强度稳定的微弱的光脉冲被所述的APD探测电路O)的雪崩光电二极管 (2-1)探测后，所述的APD探测电路(2)将微弱的光信号转化成模拟电信号并放大，该模拟 电信号经过数据采集卡( 转换成数字信号后输入所述的计算机；②所述的计算机(4)将采集的数字信号进行累加平均获得平均数字信号，将该平均数 字信号与设定值进行比较当平均数字信号与设定信号值的差值的绝对值小于设定值的允 许范围，采集到的平均数字信号直接输送至下一级；当平均数字信号与设定信号值的差值 的绝对值超过设定值的允许范围，且平均数字信号大于设定信号值，则向所述的偏压控制 电路(1)发送减小偏压控制命令；当平均数字信号与设定信号值的差值的绝对值超过设定 值的允许范围且平均数字信号小于设定信号值，则向所述的偏压控制电路(1)发送增大偏 压控制命令；③所述的偏压控制电路(1)接收偏压控制命令，按偏压控制命令向所述的APD探测电 路O)的雪崩光电二极管施加偏压；④重复步骤②和③。
3.根据权利要求2所述的雪崩光电二极管增益稳定的控制方法，其特征在于所述的允 许范围由雪崩光电二极管增益稳定的要求决定，为设定信号值的0. 1%。
全文摘要
一种雪崩光电二极管增益稳定的控制装置和控制方法，装置由偏压控制电路、APD探测电路、数据采集卡和计算机构成，控制方法是计算机直接判断数据采集卡采集的平均数字信号与设定信号值的差别大小并由计算机发出雪崩光电二极管偏压调节命令，通过偏压控制电路反馈控制APD偏置电压，整个装置形成一个闭环反馈系统，对APD放大增益进行微调从而达到使采集到的数字信号稳定的目的。本发明特点是避开了控制APD温度恒定的方法或基于温度的反馈偏压控制方法的复杂和不可靠性，能简单有效的提高采集到的数字信号的稳定度和可靠性，方法直接、有效、简单、可靠，具有很强的实用和商用价值。
文档编号G05F1/567GK102098016SQ20101050804
公开日2011年6月15日 申请日期2010年10月15日 优先权日2010年10月15日
发明者林尊琪, 陈宇, 陈柏, 陈福昌 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所