用于光纤光栅传感解调的驱动电路的研制

摘要

在光纤光栅解调装置中，光源及其驱动电路将电信号转变为光信号，耦合入光纤，并在光纤中传输。光电探测器及其驱动电路将来自光纤线路中的光信号转换为电信号。这两部分电路的性能直接影响着解调系统的性能和精度。所以研制高性能的光源驱动电路和光电探测器驱动电路具有极为重要的意义。
　　本文分析了国内外SLED驱动技术的现状，在归纳、整理和比较它们各自优缺点的基础上，设计了SLED驱动电源。该驱动电源在温控电路和SLED保护电路的设计上存在一定的创新性。温控电路采用最新的温控芯片ADN8831，引入灵活的PID补偿网络，实现对SLED工作温度的稳恒控制，其制冷电流可达±2.5A，温控精度为0.035℃。SLED保护电路包括限流、限压、浪涌抑制、静电防护、防雷击等功能。其中，浪涌抑制电路先采用交流滤波器和直流滤波器对SLED电源中的高频成分进行衰减，然后利用可控硅电路的开关特性使得SLED导通的时间滞后于电源开关打开的时间，这样就避免了电源开关打开时的强浪涌，浪涌抑制电路可将浪涌电压限制在1.2V以内。静电保护电路是利用器件LASORB的快速响应，将电路中的静电、高电压等率先吸收，从而避免SLED遭受电冲击。此外，过流、过压保护电路设置了SLED工作时的电流上限和电压上限，使SLED的电流不超过90mA，电压不超过2.5V。
　　本文还分析了国内外光电探测器驱动技术的现状，确定了光电探测器驱动电路应具备光电转换、信号放大和滤波去噪的功能。针对电源和空间工频干扰，设计了陷波电路，50Hz陷波电路利用带通电路的原理，对50Hz及其附近的信号抑制很强，而对其它波段的信号没有影响，仿真结果表明，陷波电路对50Hz信号的抑制比可达38dB。
　　最后，对所研制的SLED驱动电源和光电探测器驱动电路进行了性能测试。实验表明，驱动电源能提供稳定的电流驱动SLED工作，驱动电流在0～250mA内可调，电流纹波系数小于1％，浪涌电压在1.2V以内，温控电路制冷电流可达±2.5A，温度控制精度为0.035℃；光电探测器驱动电路能完成将输入的光信号转化为电信号的任务，其放大倍数在0～3.3×108内可调，等效噪声功率(NEP)为0.06nw/√Hz，暗电流为0.115nA，带宽为908Hz，SLED注入电流为60mA时光栅阵列反射谱光电转换后的电压波形信噪比分别为16.26dB、25.1 dB、25.1dB、23.52 dB、18.06 dB、17.50 dB，可以满足实际工程测量的需要。

目录

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第一章 绪 论

1.1 光纤光栅传感器

1.2 光纤光栅传感器的信号解调技术

1.3 用于光纤光栅解调中驱动技术的研究现状

1.3.1 SLED驱动技术的研究现状

1.3.2 光电二极管驱动技术的研究现状

1.4 课题研究的主要目的及意义

1.5 论文的研究内容及创新点

第二章 SLED和光电探测器的基本原理和特性分析

2.1 SLED的特性分析及系统方案设计

2.1.1 SLED的工作原理

2.1.2 SLED的P-I和U-I特性

2.1.3 SLED的温度特性

2.1.4 SLED失效机理分析

2.1.5 系统设计方案

2.2 光电二极管的特性分析及系统方案设计

2.2.1 PIN光电二极管的工作原理

2.2.2 光电探测器的性能

2.2.3 系统方案设计

2.3 本章小结

第三章 SLED驱动电源的设计

3.1 光源相关参数

3.2 负反馈技术的原理

3.3 SLED电流驱动电路的设计

3.3.1 恒流源主控电路

3.3.2 过流保护电路

3.3.3 过压保护电路

3.3.4 浪涌抑制电路

3.4 SLED温度控制电路设计

3.4.1 半导体制冷器

3.4.2 热敏电阻

3.4.3 温度控制芯片

3.4.4 温度设定电路

3.4.5 比例积分微分电路

3.4 系统电压源设计

3.5 本章小结

第四章 PIN光电二极管的工作原理及驱动电路的设计

4.1 光电二极管相关参数

4.2 光电二极管的两种工作模式

4.3 光电检测电路的噪声分析

4.3.1 光电二极管的噪声分析

4.3.2 前置运算放大器的噪声分析

4.4 滤波电路

4.4.150Hz陷波器

4.4.2 二阶有源低通滤波器

4.5 电路防护技术

4.6 光电检测电路的设计

4.7 本章小结

第五章 驱动电路性能测试及数据分析

5.1 SLED驱动电路实验分析

5.1.1 SLED驱动电源

5.1.2 SLED的P-I特性和功率谱测试

5.1.3 SLED浪涌电压测试

5.1.4 SLED电流纹波测试

5.1.5 温度控制稳定性分析

5.2 光电检测电路实验分析

5.2.1 光电检测器实物图

5.2.2 光电检测器信噪比测试

5.2.3 光电探测器暗电流测试

5.2.4 光电检测器噪声测试

5.2.5 光电检测器带宽分析

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

硕士学位期间发表的论文