【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光电应用领域，尤其是涉及一种高灵敏门控雪崩光电二极管高速检测系统。
技术介绍
1、雪崩光电二极管探测器(avalanche photodiode detector,apd)作为一种高增益、高灵敏度的光电探测器，利用载流子的雪崩效应来放大光电信号,原理是p-n结上加上反向临界偏压后，入射光被p-n结吸收后产生光电流的雪崩效应，电流急剧放大。apd利用雪崩效应实现内部的电子倍增，提供更高的增益和灵敏度，相对于传统光电二极管，apd能够实现对微弱光信号的高效、准确的检测,在弱光信号检测领域展现出巨大的潜力和优势。因此，apd在光通信、光谱分析、生物医学和科学研究等领域被广泛应用。
2、基于apd的光电探测器在线性模式下能够在一定范围内实现线性放大，即输入光信号的强度和输出电流之间呈线性关系。这使得线性模式apd在需要进行精确光强度测量的应用中具有优势。并且能够处理更大范围的光强度，不仅能够测量弱光信号，还可以承受更高的光强度，适应不同应用需求。ge j j等人提出一种用于雪崩探测器的超快速低噪声前置放大器，该前置放大电路中通过跨阻放大器将apd产生的电流转化成电压，并且同时使用两级低噪声放大电路对输出信号进行放大，从而实现对弱光的探测。梁璀等人的专利技术专利“一种雪崩光电二极管传感器电路(申请号：cn202211240794.x)”，设计的探测器由低压线性稳压器电路、apd传感器、偏置控制电路和差分电路组成，通过跨阻放大器将apd电流信号转化成电压信号，再将电压信号转换成负、正电压的两路信号提高抗干扰能力，但
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于针对现有apd对微弱光源，尤其是光谱分光后的单色微弱光响应电流极其微弱等问题，提供利用高速门控电流采样电路进行多周期累加增强apd对弱光的响应度，同时保持高灵敏度，实现对极弱光的高速检测的一种高灵敏门控雪崩光电二极管高速检测系统。该系统通过高速门控电流采样电路对apd产生的电流信号进行采样，实现对待测光源某一时刻强度的准确测量。同时，通过叠加待测光源多个周期中相同相位点的强度，提高输出信号的信噪比。系统按照时间顺序测量待测光源发光周期内不同相位处的强度，从而得到待测光源整个周期内的强度变化。
2、为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
3、一种高灵敏门控雪崩光电二极管高速检测系统，包括apd、高速门控电流采样电路、示波器、信号发生器、tec恒温控温模块、高压可调偏置电源和上位机；
4、apd的阴极和阳极分别接到高压可调偏置电源的输出端和高速门控电流采样电路输入端；高速门控电流采样电路的控制端口(rf1port)和输出端口(signal_port)分别接到信号发生器的输出端口和示波器的输入端口；tec恒温控温模块紧贴apd的管壳、同时tec恒温控温模块的输出端与高压可调偏置电源控制端口连接；示波器的输出端接上位机，上位机的输出端分别与示波器和信号发生器相连接。
5、采用mosfet实现高速门控电流采样电路，在mosfet开启时，源极和漏极之间的电阻rds随栅极与源极之间的电压vgs增大而减少；利用mosfet在未开启和开启之间的电阻rds对apd产生的电流进行采样，实现电流采样；在mosfet开关过程中，伴随着一个大电压瞬时变化，由于存在寄生电容，产生位移电流，导致电流产生尖峰，采样电压与mosfet自身产生的尖峰脉冲相叠加；利用此尖峰脉冲作为采样脉冲，其半高宽时间作为采样门宽；利用此尖峰脉冲实现比普通门控开关时间更短的采样时间，且该脉冲响应灵敏度更高，能准确获取apd产生的电流信号；
6、所述tec恒温控制模块包括单片机、tec驱动模块、tec制冷片、温度传感器、散热片和散热风扇，tec恒温控制模块采用单片机作为主控，通过tec驱动模块控制tec制冷片，根据温度传感器测量的温度数据，使用pid算法控制tec制冷片工作状态，实现apd管壳温度稳定，同时使用散热片和散热风扇保证tec制冷片长时间工作稳定；
7、所述高压可调偏置电源通过单片机控制数模转换芯片以及接受温度传感器的反馈信号来控制高压电源模块的基准电压；由于apd在不同温度或偏置电压下的增益存在差异，采用调整偏置电压和温度控制这两种方式的综合作用实现apd增益的稳定；
8、所述上位机通过gpib通信协议与示波器连接，用于读取由高速门控电流采样电路转换得到的电压信号，并对这些数据进行处理；上位机通过gpib通信协议向信号发生器发送采集设置信息，用于控制高速门控电流采样电路的采集时序，确保采集过程按照预定的时序进行。
9、进一步的，所述高速门控电流采样电路中的mosfet可采用型号为irlml2030，用于实现纳秒级高精度电流采样。
10、所述tec驱动模块可采用型号为l298n驱动模块。
11、所述温度传感器可采用lm75bdp温度传感器。
12、所述高压可调偏置电源可采用高压模块型号为kdhm-c-12s200p-v。
13、所述数模转换芯片可采用tlv5624cd芯片。
14、以apd管壳温度为25℃，偏置电压为200v的apd增益作为基准增益，根据下式计算偏置电压修正值δv：
15、δv＝a(t-25)
16、其中，a代表电压温度系数，t代表当前apd管壳温度；系统在开始工作时将偏置电压调整为200+δv，通过tec恒温控制模块保持工作温度与起始温度相同，从而实现apd工作增益的稳定。
17、所述读取由高速门控电流采样电路转换得到的电压信号，并对这些数据进行处理，针对每个采样脉冲信号，上位机软件提取最大值进行叠加，实时输出采集到的曲线；
18、所述上位机通过gpib通信协议向信号发生器发送采集设置信息，这些设置信息包括采集间隔、采集起始时间、采集结束时间和叠加次数。
19、本专利技术利用高速门控电流采样电路进行多周期信号采集叠加，以增强apd对弱光的响应度；所述多周期信号采集叠加的具体方法如下：
20、待测光源驱动信号是一个周期为t的周期信号，高电平时间为th；仅在采样脉冲时间内采集待测光源的强度信号，由于采样时间短，将采集到的强度信号等效为该相位处光源强度信号，用于规避apd传感器自身性能对采集结果的影响；当待测光源较为微弱时，在多个周期内采集相同相位处的强度信号进行叠加，以提高信噪比，实现对该时刻(相位)强度的准确测量；假设待测光源驱动信号中的高电平时间th等于n*δt，测量点以待测光源驱动信号的上升沿或者下降沿作为基准，在每次移位单位为δt的情况下进行n次移动；通过这样的移动，测量待测光源发光周期中的n个不同相位的点，并按照相位大小对这些测量点进行排序，从而得到待测光源整个周期内的强度变化。
21、使用时，在固定频率的信号驱动待测光源发光，将其驱动本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种高灵敏门控雪崩光电二极管高速检测系统，其特征在于包括APD、高速门控电流采样电路、示波器、信号发生器、TEC恒温控温模块、高压可调偏置电源和上位机；
2.如权利要求1所述一种高灵敏门控雪崩光电二极管高速检测系统，其特征在于所述高速门控电流采样电路中的MOSFET采用型号为IRLML2030，用于实现纳秒级高精度电流采样。
3.如权利要求1所述一种高灵敏门控雪崩光电二极管高速检测系统，其特征在于所述电机驱动模块采用型号为L298N电机驱动模块。
4.如权利要求1所述一种高灵敏门控雪崩光电二极管高速检测系统，其特征在于所述温度传感器采用LM75BDP温度传感器。
5.如权利要求1所述一种高灵敏门控雪崩光电二极管高速检测系统，其特征在于所述高压可调偏置电源采用高压模块型号为KDHM-C-12S200P-V。
6.如权利要求1所述一种高灵敏门控雪崩光电二极管高速检测系统，其特征在于所述数模转换芯片采用TLV5624CD芯片。
7.如权利要求1所述一种高灵敏门控雪崩光电二极管高速检测系统，其特征在于所述采用调整
8.如权利要求1所述一种高灵敏门控雪崩光电二极管高速检测系统，其特征在于所述上位机通过GPIB通信协议与示波器连接，读取由高速门控电流采样电路转换得到的电压信号，并对这些数据进行处理，针对每个采样脉冲信号，上位机软件提取最大值进行叠加，实时输出采集到的曲线；上位机通过GPIB通信协议向信号发生器发送采集设置信息，这些设置信息包括采集间隔、采集起始时间、采集结束时间和叠加次数。
9.如权利要求1所述一种高灵敏门控雪崩光电二极管高速检测系统，其特征在于其利用高速门控电流采样电路进行多周期信号采集叠加，以增强APD对弱光的响应度；所述多周期信号采集叠加的具体方法如下：
10.一种高灵敏门控雪崩光电二极管高速检测方法，其特征在于采用如权利要求1所述一种高灵敏门控雪崩光电二极管高速检测系统，具体步骤为：在固定频率的信号驱动待测光源发光，将其驱动信号上升沿或者下降沿的时刻作为高速门控电流采样电路驱动信号的基准；在相同的时间间隔ΔT为单位，不断延时输出脉冲信号，同时在同一相位处进行多次测量，最后将结果进行叠加；通过不断移动检测点在待测光源整个发光周期内的位置，实现对待测光源整个周期内强度变化的检测。
...【技术特征摘要】
1.一种高灵敏门控雪崩光电二极管高速检测系统，其特征在于包括apd、高速门控电流采样电路、示波器、信号发生器、tec恒温控温模块、高压可调偏置电源和上位机；
2.如权利要求1所述一种高灵敏门控雪崩光电二极管高速检测系统，其特征在于所述高速门控电流采样电路中的mosfet采用型号为irlml2030，用于实现纳秒级高精度电流采样。
3.如权利要求1所述一种高灵敏门控雪崩光电二极管高速检测系统，其特征在于所述电机驱动模块采用型号为l298n电机驱动模块。
4.如权利要求1所述一种高灵敏门控雪崩光电二极管高速检测系统，其特征在于所述温度传感器采用lm75bdp温度传感器。
5.如权利要求1所述一种高灵敏门控雪崩光电二极管高速检测系统，其特征在于所述高压可调偏置电源采用高压模块型号为kdhm-c-12s200p-v。
6.如权利要求1所述一种高灵敏门控雪崩光电二极管高速检测系统，其特征在于所述数模转换芯片采用tlv5624cd芯片。
7.如权利要求1所述一种高灵敏门控雪崩光电二极管高速检测系统，其特征在于所述采用调整偏置电压和温度控制这两种方式的综合作用实现apd增益的稳...
【专利技术属性】
技术研发人员：郑振耀，吴伟，吕毅军，朱丽虹，林苡，陈国龙，陈忠，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：
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