Apd陣列芯片偏置電壓全自動溫度補償系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種APD陣列芯片偏置電壓全自動溫度補償系統(tǒng)。包括APD陣列芯片(101)、熱敏電阻(108)、AD轉換器I (107)、匹配電阻(110)、AD轉換器II (105)、微處理器(102)、數(shù)字電位器(103)、輸出可調高壓模塊(104)、蜂鳴器(109)和顯示模塊(106)。本發(fā)明通過檢測熱敏電阻的阻值得出APD陣列芯片工作溫度，從而得到所需最佳反向偏置電壓，再利用數(shù)字電位器改變輸出可調高壓模塊的輸出電壓，使APD陣列芯片獲得與當前工作溫度匹配的反向偏置電壓，實現(xiàn)了APD陣列芯片反向偏置電壓的全自動溫度補償功能。
【專利說明】
APD陣列芯片偏置電壓全自動溫度補償系統(tǒng)
技術領域
[0001 ]本發(fā)明涉及APD偏置電壓調節(jié)技術，特別是一種APD陣列偏置高壓全自動溫度補償系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]反向高壓偏置下的APD(雪崩光電二極管)經(jīng)光照射后會使流過APD的電流產(chǎn)生雪崩倍增效應。AF1D反向偏置電壓越接近雪崩擊穿電壓，雪崩倍增效應就越顯著，但同時會產(chǎn)生淹沒有用信號的附加噪聲效應，因此精確控制Aro反向偏置電壓成為Aro實際應用的最大難題。由于雪崩擊穿電壓隨溫度發(fā)生變化，故需控制Aro偏置高壓也跟隨溫度變化。
[0003]《光通信技術》期刊2014年12期“基于ADL5317和LM35的APD偏壓溫度補償電路設計”；《電子設計工程》2015年2月(23卷第3期)“基于TPS40210的APD偏壓溫補電路設計”，都公開了AH)偏壓溫度補償電路設計，其不足之處在于:需要手動調整電路中多個元件參數(shù)，高壓模塊電壓范圍小、且調節(jié)不方便?！豆鈱W與光電技術》期刊2013年4期“具有溫度補償?shù)腁I3D數(shù)控偏壓電路”；《工業(yè)控制計算機》2012年第25卷第3期，“基于DSP的雪崩光電二極管數(shù)控偏壓源設計”，它們的不足之處在于:雖然采用了微控制器，但是高壓模塊部分元件仍然需要手動調節(jié);而且溫度測量電路較復雜。
[0004]現(xiàn)有的溫度補償方法中還沒有針對APD陣列芯片的，都只限于單只APD，而且都需要手動調整部分電路參數(shù)，沒有實現(xiàn)全自動溫度補償。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的是為了解決上述系統(tǒng)存在的問題，提供了一種采用熱敏電阻、數(shù)字電位器、輸出可調高壓模塊和微處理器的適用于APD(雪崩光電二極管)陣列芯片偏置電壓全自動溫度補償系統(tǒng)。
[0006]本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的:APD陣列偏置電壓全自動溫度補償系統(tǒng)包括一片APD陣列芯片、一只熱敏電阻、AD(模擬數(shù)字)轉換器1、匹配電阻、AD(模擬數(shù)字)轉換器I1、一個微處理器、一個數(shù)字電位器、一個輸出可調高壓模塊、一個蜂鳴器和一個顯不模塊。熱敏電阻固定在AH)陣列芯片上，AD轉換器I連接熱敏電阻，輸出可調高壓模塊輸出端連接AD轉換器II和Aro陣列芯片，輸出可調高壓模塊控制端與數(shù)字電位器連接，微處理器連接AD轉換器1、AD轉換器I1、數(shù)字電位器、蜂鳴器和顯示模塊。
[0007]APD陣列芯片，芯片上集成了多個APD單元，這些APD單元可構成IxN直線型陣列和NxN方型陣列，其中:N為5-16。
[0008]熱敏電阻，用作溫度傳感器，其電阻值大小能夠反映Aro陣列芯片工作溫度。
[0009]AD轉換器I，用于采集熱敏電阻的分壓。
[0010]匹配電阻，用于將熱敏電阻與溫度的指數(shù)型非線性函數(shù)關系轉化為線性函數(shù)關系，保證采樣靈敏度的一致性。
[0011]微處理器，用于讀取AD轉換器I的值，計算熱敏電阻值，再查表得到Aro陣列芯片工作溫度，然后控制數(shù)字電位器輸出合適的電阻值至輸出可調高壓模塊;所述的微處理器還要讀取AD轉換器II的值，從而獲取輸出可調高壓模塊實際輸出值;所述的微處理器也要控制蜂鳴器報警以及顯示模塊完成顯示。
[0012]數(shù)字電位器，由微處理器控制輸出合適的電阻值，從而使輸出可調高壓模塊輸出Aro陣列芯片在當前工作溫度下所需的偏置電壓值，保證陣列芯片上的各個Aro單元處于接近雪崩的高增益狀態(tài)。
[0013]輸出可調高壓模塊，根據(jù)數(shù)字電位器的電阻值輸出相應的高壓值至Aro陣列芯片。
[0014]AD轉換器II，用于實時采集輸出可調高壓模塊輸出的電壓值，防止輸出可調高壓模塊因故障而損壞昂貴的Aro陣列芯片。
[0015]蜂鳴器，當輸出可調高壓模塊輸出電壓異常時發(fā)出報警。
[0016]顯示模塊，用于顯示熱敏電阻分壓值、熱敏電阻的阻值、Aro陣列芯片工作溫度、數(shù)字電位器輸出值和輸出可調高壓模塊輸出電壓值。
[0017]本發(fā)明的APD陣列芯片偏置高壓全自動溫度補償系統(tǒng)，通過檢測熱敏電阻的阻值得出Aro陣列芯片工作溫度，從而得到所需最佳反向偏置電壓，再利用數(shù)字電位器改變輸出可調高壓模塊的輸出電壓，使Aro陣列芯片獲得與當前工作溫度匹配的反向偏置電壓，實現(xiàn)了 Aro陣列芯片反向偏置電壓的全自動溫度補償功能。
[0018]本發(fā)明的優(yōu)點在于:(I)使用熱敏電阻作為Aro陣列芯片工作溫度采集的溫度傳感器，體積小，靈敏度高。(2)用數(shù)字電位器連接輸出可調高壓模塊控制端，這樣微處理器只需根據(jù)測出的熱敏電阻值控制數(shù)字電位器輸出，無需人為干預或使用其它手動調節(jié)器件，就可使輸出可調高壓模塊輸出電壓值自動跟隨APD陣列芯片工作溫度的變化，實現(xiàn)了全自動溫度補償。(3)通過增加一只匹配電阻將熱敏電阻與溫度的指數(shù)型非線性函數(shù)關系轉化為線性函數(shù)關系，電路結構簡單，同時還保證了采樣靈敏度的一致性。(4)采用微處理器內置的AD轉換器，無需增加AD轉換器芯片不會引起電路板面積增加。(5)用AD轉換器II采集輸出可調高壓模塊實際輸出電壓值，對價格昂貴的Aro陣列芯片起到了安全保護作用。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明系統(tǒng)結構框圖。
[0020]圖2本發(fā)明熱敏電阻采樣圖。
[0021 ]圖3本發(fā)明微處理器控制流程圖。
【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖詳細說明本發(fā)明的【具體實施方式】。
[0023]實施例:
圖1是按照本發(fā)明實現(xiàn)的系統(tǒng)結構框圖，該實施例由Aro陣列芯片101、熱敏電阻108、AD轉換器I 107、匹配電阻110、AD轉換器II 105、微處理器102、數(shù)字電位器103、輸出可調高壓模塊104、蜂鳴器109和顯示模塊106構成。熱敏電阻108固定在AH)陣列芯片101上;AD轉換器I連接熱敏電阻108和匹配電阻110;輸出可調高壓模塊104的輸出端連接AD轉換器11 1 5和APD陣列芯片101;輸出可調高壓模塊104的控制端與數(shù)字電位器103連接;微處理器102連接AD轉換器I 107、AD轉換器II 105、數(shù)字電位器103、顯示模塊106和蜂鳴器109。
[0024]Aro陣列芯片101，本實施例選用德國First sensor公司生產(chǎn)的5x5 AI3D方型陣列芯片，該芯片上集成了 25個Aro單元，這些Aro單元構成5x5方型陣列。
[0025]熱敏電阻108，用作溫度傳感器，其電阻值會隨溫度發(fā)生變化，本實施例選用美國Vishay公司生產(chǎn)的帶玻璃護套的高精度負溫度系數(shù)NTC熱敏電阻，封裝為0805貼片，體積小，靈敏度高，并將其固定在APD陣列芯片上，使其電阻值跟隨APD陣列芯片101當前工作溫度而變化。
[0026]AD轉換器I 107，用于采集熱敏電阻108的分壓。本實施例中的AD轉換器I 107使用微處理器102的內置AD轉換器，這樣無需增加額外的AD轉換芯片，不會造成溫度補償系統(tǒng)電路板面積增加。
[0027]匹配電阻110，是一個與熱敏電阻108相連的高精度電阻，用于將熱敏電阻與溫度的指數(shù)型非線性函數(shù)關系轉化為線性函數(shù)關系，保證采樣靈敏度的一致性。
[0028]微處理器102，選用意法半導體公司生產(chǎn)的ARM Cortex M3架構的STM32F103RCT6微處理器。用于讀取AD轉換器I 107的值，計算熱敏電阻108的阻值，再查表獲取AH)陣列芯片101的工作溫度，然后控制數(shù)字電位器103輸出合適的值至輸出可調高壓模塊104的控制端;微處理器102還用于讀取AD轉換器II 105的值，從而獲取輸出可調高壓模塊104的實際輸出值，當輸出可調高壓模塊104輸出異常時由微處理器102還要控制蜂鳴器109發(fā)出報警；微處理器102也要控制顯示模塊106顯示熱敏電阻108的阻值，APD陣列芯片101的當前工作溫度，數(shù)字電位器103的輸出電阻值和輸出可調高壓模塊104實際輸出高壓值，所述的高壓值即為AH)陣列芯片101獲得的經(jīng)溫度補償后的偏置電壓值。
[0029]數(shù)字電位器103，選用Microchip公司生產(chǎn)的1kQ數(shù)字電位器，型號為MCP41010。微處理器102將根據(jù)Aro陣列芯片101的當前工作溫度來控制數(shù)字電位器103輸出合適的電阻值至輸出可調高壓模塊104的控制端，從而使輸出可調高壓模塊104輸出APD陣列芯片101在當前工作溫度下所需的偏置電壓值，保證APD陣列芯片101上的25個APD單元處于接近雪崩的高增益狀態(tài)。由于使用了數(shù)字電位器103，微處理器102只需根據(jù)測出的熱敏電阻值控制數(shù)字電位器103輸出，無需人為干預或使用其它手動調節(jié)器件，就可使輸出可調高壓模塊104輸出電壓值自動跟隨AH)陣列芯片1I工作溫度的變化，實現(xiàn)了全自動溫度補償。
[0030]輸出可調高壓模塊104，選用天津東文公司生產(chǎn)的0-300V輸出可調型高壓模塊。輸出可調高壓模塊104的控制端連接數(shù)字電位器103的電阻輸出端，輸出可調高壓模塊104的輸出端連接AH)陣列芯片1I，為該芯片提供合適的偏置電壓。
[0031]AD轉換器II 105，用于實時采集輸出可調高壓模塊104輸出的電壓值，可防止輸出可調高壓模塊104發(fā)生故障而損壞昂貴的Aro陣列芯片101。為了不增加整個溫度補償系統(tǒng)體積，本實施例中的AD轉換器II 105也是使用微處理器102的內置AD轉換器。
[0032]蜂鳴器109，當輸出可調高壓模塊104輸出電壓異常時發(fā)出報警。
[0033]顯示模塊106，選用緊湊型文字液晶模塊。用于顯示熱敏電阻108的分壓值及電阻值，APD陣列芯片101的工作溫度，數(shù)字電位器103的電阻值，輸出可調高壓模塊104的輸出電壓值。還在輸出可調高壓模塊104輸出電壓異常時進行閃爍顯示。
[0034]圖2為熱敏電阻采樣圖，包括:熱敏電阻108，AD轉換器I107，匹配電阻110。本實施例中，匹配電阻110采用了美國Vishay公司生產(chǎn)的低溫度漂移、高穩(wěn)定性電阻;熱敏電阻108則采用Vishay公司的帶玻璃護套的高精度NTC熱敏電阻。所述的采樣電路結構簡單，精度高，實現(xiàn)了熱敏電阻與溫度的指數(shù)型非線性函數(shù)的線性化，保證了采樣靈敏度的一致性。
[0035]本實施例的Aro陣列偏置電壓全自動溫度補償系統(tǒng)工作過程如下:
I)微處理器102讀取AD轉換器I 107的值，計算熱敏電阻108的阻值，再查表獲取Aro陣列芯片101的當前工作溫度，然后計算出數(shù)字電位器103應當輸出的電阻值。
[0036]2)數(shù)字電位器103輸出相應的電阻值至輸出可調高壓模塊104的控制端，輸出可調高壓模塊104則由輸出端輸出對應的電壓至APD陣列芯片101，這樣APD陣列芯片1I就得到了當前工作溫度下所需的偏置電壓。
[0037]3)AD轉換器II 105采集輸出可調高壓模塊104輸出的電壓值，如果該電壓值異常，微處理器102會立即調整數(shù)字電位器103的輸出電阻，并觸發(fā)蜂鳴器109報警和顯示模塊106閃爍顯示，有效避免因輸出可調高壓模塊104異常對昂貴的AH)陣列芯片101造成損壞。
[0038]圖3為微處理器控制流程圖，微處理器102作為本實施例的控制單元是運行在嵌入式操作系統(tǒng)uC/OS II上，本實施例共建立4個工作任務，分別是:AD轉換任務，計算任務，顯示及報警任務和開始任務。該流程圖開始于步驟S301。
[0039]在步驟S302，微處理器102對系統(tǒng)硬件進行配置，同時也對嵌入式操作系統(tǒng)uC/OSII進行初始化，為執(zhí)行后續(xù)各項任務準備工作環(huán)境。
[0040]在步驟S303，uC/0S II啟動開始任務。
[0041 ]在步驟S304，開始任務執(zhí)行期間，uC/OS II創(chuàng)建了其它三個任務，分別是:AD轉換任務，計算任務，顯示與報警任務，所述的三個任務創(chuàng)建完成后，開始任務即被掛起。此后在uC/OS II調度下，微處理器102以時間片輪轉方式同時運行所述的三個任務，S卩:步驟S305-S309的AD轉換任務，步驟S310-S316的計算任務，步驟S317-S325的顯示與報警任務是同時運行的。
[0042]在步驟S305，微處理器102開始運行AD轉換任務。
[0043]在步驟S306，微處理器102控制AD轉換器I 107和AD轉換器II 105進行AD轉換。
[0044]在步驟S307，微處理器102發(fā)送AD轉換器I107的轉換結果到郵箱I，所述的郵箱是一種在不同任務間實現(xiàn)通信的機制。
[0045]在步驟S308，微處理器102發(fā)送AD轉換器I 107的轉換結果到郵箱2。
[0046]在步驟S309，微處理器102發(fā)送AD轉換器II 105的轉換結果到郵箱3。
[0047]在步驟S310，微處理器102開始運行計算任務。
[0048]在步驟S311，計算任務查詢郵箱I，看是否收到在步驟S307發(fā)送的AD轉換器I107的轉換結果，如果收到則立即轉入步驟S312，否則延時達到后進入步驟S312。
[0049]在步驟S312，微處理器102根據(jù)AD轉換器I 107的轉換結果計算得到熱敏電阻108的電阻值，然后查程序存儲器中熱敏電阻阻值與溫度的對照表格就可得到Aro陣列芯片ιο?的當前工作溫度。
[0050]在步驟S313，微處理器102發(fā)送消息到郵箱4，所述的消息內容為APD陣列芯片101
當前工作溫度。
[0051 ] 在步驟S314，微處理器102根據(jù)APD陣列芯片101當前工作溫度計算出AH)陣列芯片101在該工作溫度下所需的偏置電壓值，在根據(jù)輸出可調高壓模塊的輸出與控制關系曲線計算出數(shù)字電位器103應該輸出的電阻值。
[0052]在步驟S315，控制數(shù)字電位器103輸出計算得到的電阻值至輸出可調高壓模塊104控制端，則輸出可調高壓模塊104輸出在步驟S314中所述的偏置電壓值，這樣AH)陣列芯片101就獲得了溫度補償后的偏置電壓。
[0053]在步驟S316，微處理器102發(fā)送消息到郵箱5，所述的消息內容為步驟S314計算出的數(shù)字電位器103應輸出的電阻值和Aro陣列芯片1I所需的偏置電壓值。
[0054]在步驟S317，微處理器102開始運行顯示與報警任務。
[0055]在步驟S318，顯示與報警任務查詢郵箱2，看是否收到在步驟S308發(fā)送的AD轉換器
I107的轉換結果，如果收到則立即轉入步驟S319，否則延時達到后進入步驟S319。
[0056]在步驟S319，顯示熱敏電阻108的分壓值，所述的分壓值是由AD轉換器I107的轉換結果換算得到的。
[0057]在步驟S320，顯示與報警任務查詢郵箱3，看是否收到在步驟S309發(fā)送的AD轉換器
II105的轉換結果，如果收到則立即轉入步驟S321，否則延時達到后進入步驟S321。
[0058]在步驟S321，顯示輸出可調高壓模塊104的輸出電壓值，所述的輸出電壓值是由AD轉換器II 105的轉換結果換算得到的，如果所述的輸出電壓值異常則蜂鳴器報警，并且顯示模塊進行閃爍顯示。
[0059]在步驟S322，顯示與報警任務查詢郵箱4，看是否收到在步驟S313發(fā)送的消息，如果收到則立即轉入步驟S323，否則延時達到后進入步驟S323。
[0060]在步驟S323，顯示AI3D陣列芯片101的當前工作溫度。
[0061]在步驟S324，顯示與報警任務查詢郵箱5，看是否收到在步驟S316發(fā)送的數(shù)字電位器103應輸出的電阻值和APD陣列芯片101所需的偏置電壓值，如果收到則立即轉入步驟S325，否則延時達到后進入步驟S325。
[0062]在步驟S325，顯示數(shù)字電位器103應輸出的電阻值和APD陣列芯片101所需的偏置電壓值。
[0063]雖然結合附圖描述了本發(fā)明的實施方式，但是本領域內熟練的技術人員可以在所附權利要求的范圍內做出各種變形和修改。
【主權項】
1.一種APD陣列芯片偏置電壓全自動溫度補償系統(tǒng)，其特征在于APD陣列芯片偏置電壓全自動溫度補償系統(tǒng)包括AH)陣列芯片(101 )、熱敏電阻(108)、AD轉換器I (107)、匹配電阻(110)、AD轉換器II (105)、微處理器(102)、數(shù)字電位器(103)、輸出可調高壓模塊(104)、蜂鳴器(109)和顯示模塊(106);熱敏電阻(108)固定在APD陣列芯片(101)上，AD轉換器I(107)連接熱敏電阻(108)，輸出可調高壓模塊(104)輸出端連接AD轉換器II (105)和ATO陣列芯片(101)，輸出可調高壓模塊(104)控制端與數(shù)字電位器(103)連接，微處理器(102)連接AD轉換器I (107)、AD轉換器II (105)、數(shù)字電位器(103)、蜂鳴器(109)和顯示模塊(106); AF1D陣列芯片(101)上集成了多個APD單元，這些APD單元能構成IxN直線型陣列和NxN方型陣列，其中:N為5-16; 熱敏電阻(108)用作溫度傳感器，其電阻值大小能夠反映APD陣列芯片(101)的工作溫度； AD轉換器I (107)用于采集熱敏電阻(108)的分壓； 匹配電阻(110)用于將熱敏電阻(108)與溫度的指數(shù)型非線性函數(shù)關系轉化為線性函數(shù)關系，保證采樣靈敏度的一致性； 微處理器(102)用于讀取AD轉換器I (107)的值，計算熱敏電阻(108)的阻值，再查表得至IJAH)陣列芯片(101)的工作溫度，然后控制數(shù)字電位器(103)輸出合適的電阻值至輸出可調高壓模塊(104);所述的微處理器(102)還要讀取AD轉換器I (105)的值，從而獲取輸出可調高壓模塊(104)實際輸出值;所述的微處理器(102)也要控制蜂鳴器(109)報警以及顯示豐旲塊(106)完成顯不； 數(shù)字電位器(103)由微處理器(102)控制輸出合適的電阻值，從而使輸出可調高壓模塊(104)輸出AH)陣列芯片(101)在當前工作溫度下所需的偏置電壓，保證陣列芯片上的各個Aro單元處于接近雪崩的高增益狀態(tài)； 輸出可調高壓模塊(104)根據(jù)數(shù)字電位器(103)的電阻值輸出相應的高壓值至APD陣列芯片(101); AD轉換器I (105)用于實時采集輸出可調高壓模塊(104)輸出的電壓值，防止輸出可調高壓模塊(104)因故障而損壞昂貴的AH)陣列芯片(101); 蜂鳴器(109)在輸出可調高壓模塊(104)輸出電壓異常時發(fā)出報警； 顯示模塊(106)用于顯示熱敏電阻(108)分壓值、熱敏電阻(108)的阻值、AH)陣列芯片(101)工作溫度、數(shù)字電位器(103)輸出值和輸出可調高壓模塊(104)輸出電壓值； 所述AD轉換器即為模擬數(shù)字轉換器。
【文檔編號】G05F1/567GK106094963SQ201610628039
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月31日 公開號201610628039.7, CN 106094963 A, CN 106094963A, CN 201610628039, CN-A-106094963, CN106094963 A, CN106094963A, CN201610628039, CN201610628039.7
【發(fā)明人】張飆, 周國清, 周祥
【申請人】桂林理工大學