一种APD工作电压自动选择装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种APD工作电压自动选择装置及方法，包括直流高压电源，用于为APD提供偏置电压信号，脉冲激光模块，用于输出脉冲激光，峰值检测模块，用于获得APD阳极信号的峰值，控制模块输入端与峰值检测模块连接，第一输出端与直流高压电源连接，第二输出端与脉冲光源模块连接，控制模块输出第一电压控制信号调整偏置电压信号先后为工作电压区间两端点，控制模块输出通断信号控制脉冲光源模块发射或不发射脉冲光，获得在工作电压区间两端点和有无脉冲光的情况下APD阳极信号的峰值，获得APD在工作电压区间两个端点的信噪比，将信噪比高的端点所属工作电压子区间作为工作电压区间，通过多次更新工作电压区间获得最佳工作电压区间。

Automatic selection device and method for APD working voltage

The invention provides a device and a method for automatically selecting the working voltage of APD, including high voltage DC power supply, used to provide a bias voltage signal is APD, pulse laser module for pulse laser output, peak detection module, used to obtain the peak value of APD anode signal, the input control module is connected with the peak detection module, a first output end is connected with high voltage DC power supply, second output end is connected with the pulse light source module, a control module outputs a first voltage control signal to adjust the bias voltage signal has the working voltage interval ends, on-off control module output signal control module pulse light source emits pulses of light emission or not, in the working voltage range at both ends and the peak of the anode signal without APD the pulse light, obtain the APD operating voltage range two points SNR, endpoint high SNR The working voltage sub section is used as the working voltage range, and the optimum operating voltage range is obtained by repeatedly updating the operating voltage range.

【技术实现步骤摘要】
一种APD工作电压自动选择装置及方法
本专利技术涉及雪崩光电二极管(AvalanchePhotodiode，APD)的工作电压，更具体的，涉及一种APD工作电压自动选择装置及方法。
技术介绍
APD在国防工业和科研领域有重要应用，例如，在光谱分析仪器、激光测距设备和雷达系统中，APD是其重要的光学元件，常用来测量微弱光信号。对于微弱光信号测量，信噪比这一指标尤为重要，信噪比的高低将直接影响测量数据的准确性。在不同工作电压和工作温度条件下，APD的参数会随之变化。APD工作温度的降低可以减小APD的噪声，APD的工作电压的升高会增大APD的响应度和噪声。因此，除了要使APD在较低温度条件下工作，还要在噪声和响应度两者间做一个折中，通过选取一个合适的APD工作电压来提高APD的信噪比。但是，目前各品牌APD的技术手册只提供APD击穿电压这一参数，而没有推荐合适的工作电压。在应用APD进行微弱光信号测量时，APD工作电压的选取只能凭借经验，而没有可循的原则，这给开发者带来了不便，过低或过高的工作电压将会降低APD的信噪比，影响数据测量的准确性。因此，亟需一种可以自动选择APD工作电压的方法来解决此问题。
技术实现思路
针对上述缺陷，本专利技术提供了一种APD工作电压自动选择装置，旨在解决APD工作电压只能凭经验选取导致APD输出信号信噪比低技术问题。作为本专利技术的一方面，本专利技术提供了一种APD工作电压自动选择装置，包括：脉冲光源模块，其控制端接收通断信号并根据通断信号开通或关断脉冲光；直流高压电源，其控制端接收并根据第一电压控制信号输出偏置电压信号，偏置电压信号为APD提供偏置电压；峰值检测模块，用于获取偏置电压下的APD阳极信号，并提取峰值输出APD阳极信号的峰值；控制模块，其输入端与峰值检测模块连接，第一输出端与直流高压电源控制端连接，第二输出端与脉冲光源模块控制端连接；调整第一电压控制信号使偏置电压先后为工作电压区间的两个端点值，同时调整通断信号先后发射和不发射脉冲光，获得在不同偏置电压和有无脉冲光的情况下的APD阳极信号的峰值；根据APD阳极信号的峰值获得工作电压区间两个端点的信噪比，将工作电压区间分为两个工作电压子区间，选择信噪比大的端点所在工作电压子区间作为工作电压区间，通过多次更新工作电压区间获得最佳工作电压区间，首次更新的工作电压区间根据APD击穿电压确定。本专利技术提供的APD工作电压自动选择装置，由控制模块输出通断信号让脉冲光源模块发出脉冲光，APD检测脉冲信号，并由控制模块输出第一电压控制信号，使直流高压电源输出的偏置电压信号为工作电压区间的左端点电压，峰值检测模块提取在左端点电压偏置下APD阳极信号的峰值，此时的阳极信号为脉冲信号，控制模块调整通断信号让脉冲光源模块停止发射脉冲光，APD输入端电压仍为工作电压区间左端点，峰值检测模块检测APD阳极信号的峰值，此时APD阳极信号为噪声信号，根据在APD导通与截止时的阳极信号的峰值获得APD在工作电压区间左端点的信噪比，同理，获得APD在工作电压区间右端点的信噪比，将工作电压区间分为两个工作电压子区间，选择信噪比大的端点所在工作电压子区间作为为下一个工作电压区间，由于APD的信噪比与工作电压是先递增后递减的关系，选择信噪比更高的工作电压子区间更接近于APD信噪比峰值所在的工作电压区间，通过多次调整工作电压区间获得最佳工作电压区间，初始的工作电压区间可以根据APD击穿电压来确定。进一步地，还包括信号放大模块，其输出端与峰值检测模块输入端连接，用于将APD阳极信号进行放大，并输出放大后APD阳极信号。进一步地，还包括温度控制模块，根据APD内置的热电制冷模块输出的温度信号确定输出温度控制电流的极性，不同极性的温度控制电流使APD内置热电制冷模块在制热状态或制冷状态切换。温度控制模块的使用避免了环境温度变化影响APD阳极信号的信噪比，使得根据APD阳极信号的信噪比选择出的最佳工作电压区间更加精确。进一步地，温度控制模块包括热敏信号放大器，其输入端用于接收APD内置的热电制冷模块输出的温度信号，将温度信号和预设温度信号的差值转化为差值电压信号；PID控制器，其输入端与热敏信号放大器输出端连接，用于对差值电压信号进行比例，积分和微分控制，输出第二电压控制信号；双极性恒流源，其输入端与PID控制器输出端连接，用于根据第二电压控制信号确定温度控制电流的极性。进一步地，脉冲光源包括激光器、激光器电源以及直流继电器；激光器用于发射脉冲激光，激光器电源用于提供为激光器提供电压；直流继电器，其一端与激光器连接，其另一端与激光器电源连接，其控制端与控制模块第二输出端连接，用于控制激光器与激光器电源的接通与断开。作为本专利技术的另一方面，本专利技术提供了一种APD工作电压自动选择方法，包括：(1)获得APD在第i个工作电压区间左端点电压下的信噪比和在第i工作电压区间右端点电压下的信噪比；(2)判断工作电压区间次序i是否等于调整次数N，若是，则第i个工作电压区间为APD的最佳工作电压区间，否则进入步骤(3)；(3)判断APD在i个工作电压区间的左端点电压下的信噪比是否大于APD在第i工作电压区间的右端点电压下的信噪比；若是则第i+1个工作电压区间的左端点为第i个工作电压区间左端点，第i+1个工作电压区间的右端点为第i个工作电压区间的中间值，并令i＝i+1，进入步骤(1)；否则第i+1个工作电压区间的左端点为第i个工作电压区间的中间值，第i+1个工作电压区间的右端点为第i个工作电压区间右端点，并令i＝i+1，进入步骤(1)；1≤i≤N，N为调整次数，第1个工作电压区间的右端点为初始工作电压，初始工作电压根据APD击穿电压确定，调整次数根据APD的击穿电压和工作电压精度来设置。由于APD工作电压的升高会使APD的响应度和噪声单调增大，当APD工作电压低于击穿电压时，APD响应度的变化速率远高于噪声的变化速率，而当工作电压接近击穿电压时，雪崩噪声急剧增大，因此APD信噪比是随着工作电压增大先单调递增后单调递减的函数，并且当工作电压接近APD击穿电压时，APD将取得较大信噪比。因此，选择信噪比高的端电压对应的工作电压子区间更加接近APD信噪比的峰值，将其作为下一个工作电压区间，可以获得信噪比高的最佳工作区间，且采用二分法分割工作电压区间可以迅速找到合适的工作电压区间。进一步地，根据公式获得调整次数N；式中，Vbr为APD击穿电压，e为所需APD工作电压精度。通过改变调整次数，可以获得任意APD工作电压精度下最佳工作电压区间。进一步地，第1个工作电压区间的左端点为初始工作电压一半。当APD工作电压小于初始工作工作电压一半时，APD的响应度很小，因此合适的APD工作电压区间必然包含在第1个电压区间内。通过本专利技术所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：1、本专利技术提供的APD工作电压自动选择装置，可帮助开发者，尤其是无APD相关设计经验者，快速地找到合适的APD工作电压，有效地提高了APD输出信号的信噪比，以保证APD光信号测量的精准度。2、本专利技术提供的APD工作电压自动选择装置中的温度控制模块采用了高精度的热敏信号放大器和模拟式PID控制，响应速度快、温度控制精度高，该模本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种APD工作电压自动选择装置，其特征在于，包括：脉冲光源模块(7)，其控制端接收通断信号并根据通断信号开通或关断脉冲光；直流高压电源(3)，其控制端接收并根据第一电压控制信号输出偏置电压信号，偏置电压信号为APD提供偏置电压；峰值检测模块(5)，用于获取偏置电压下的APD阳极信号，并提取峰值输出APD阳极信号的峰值；控制模块(2)，其输入端与峰值检测模块(5)输出端连接，第一输出端与直流高压电源(3)控制端连接，第二输出端与脉冲光源模块(7)控制端连接；调整第一电压控制信号使偏置电压先后为工作电压区间的两个端点值，同时调整通断信号先后发射和不发射脉冲光，获得在不同偏置电压和有无脉冲光的情况下的APD阳极信号的峰值；根据APD阳极信号的峰值获得工作电压区间两个端点的信噪比，将工作电压区间分为两个工作电压子区间，选择信噪比大的端点所在工作电压子区间作为工作电压区间，通过多次更新工作电压区间获得最佳工作电压区间，首次更新的工作电压区间根据APD击穿电压确定。

【技术特征摘要】
1.一种APD工作电压自动选择装置，其特征在于，包括：脉冲光源模块(7)，其控制端接收通断信号并根据通断信号开通或关断脉冲光；直流高压电源(3)，其控制端接收并根据第一电压控制信号输出偏置电压信号，偏置电压信号为APD提供偏置电压；峰值检测模块(5)，用于获取偏置电压下的APD阳极信号，并提取峰值输出APD阳极信号的峰值；控制模块(2)，其输入端与峰值检测模块(5)输出端连接，第一输出端与直流高压电源(3)控制端连接，第二输出端与脉冲光源模块(7)控制端连接；调整第一电压控制信号使偏置电压先后为工作电压区间的两个端点值，同时调整通断信号先后发射和不发射脉冲光，获得在不同偏置电压和有无脉冲光的情况下的APD阳极信号的峰值；根据APD阳极信号的峰值获得工作电压区间两个端点的信噪比，将工作电压区间分为两个工作电压子区间，选择信噪比大的端点所在工作电压子区间作为工作电压区间，通过多次更新工作电压区间获得最佳工作电压区间，首次更新的工作电压区间根据APD击穿电压确定。2.如权利要求1所述的APD工作电压自动选择装置，其特征在于，还包括信号放大模块，其输出端与峰值检测模块(5)输入端连接，用于将APD阳极信号进行放大，并输出放大后APD阳极信号。3.如权利要求1或2所述的APD工作电压自动选择装置，其特征在于，还包括温度控制模块；根据APD内置的热电制冷模块输出的温度信号确定输出温度控制电流的极性，不同极性的温度控制电流使APD内置的热电制冷模块在制热状态或制冷状态切换。4.如权利要求3所述的APD工作电压自动选择装置，其特征在于，所述温度控制模块包括：热敏信号放大器，其输入端用于接收APD内置的热电制冷模块输出的温度信号，将温度信号和预设温度信号的差值转化为差值电压信号；PID控制器，其输入端与热敏信号放大器输出端连接，用于对差值电压信号进行比...

【专利技术属性】
技术研发人员：高丽，黄杰峰，庄革，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42