【技术文章】白光干涉仪发射-接收机设计

摘要：详细阐述了白光干涉仪的设计过程，该设计主要包括驱动电路、光电I-V转换以及电压放大3个模块。根据白光干涉的要求，其发射-接收机采用直流驱动，探测器高频响应的工作方式。但光源驱动电路的稳定性和光电探测器与放大器的连接对设计结果都会有影响。测试结果表明:选择 LM317作稳压器，PIN 光电二极管作探测器，采用I-V 光电转换连接光电探测器与放大器的方式，可以满足设计要求。该干涉仪稳定性好，噪声低，可以很好地应用于白光干涉测量。

关键词：白光干涉；发射机；直流驱动；接收机；高频响应

1 引 言

白光干涉系统可以用来测量压力、厚度、温度、位置等。具有分辨率高、抗干扰能力强、精度高、操作方便等优点。近年来得到了广泛的研究和应用。白光干涉测量最常用的低相干宽谱光源有半导体发光二极管（LED）和超高亮度发光二极管（SLED）。其中 SLED 输出功率大，对温度和驱动电流非常敏感#需加恒温恒流控制。而 LED的输出功率小，对温度没有严格的要求。

以LED为光源的白光干涉仪发射-接收机的关键设计由LED驱动电路的稳定性和光电探测器的高频响应决定、LED的 驱动方式有静态驱动（直流驱动）和动态驱动，应根据实际需要合理选择。本设计采用直流驱动，避免LED正向电压的改变而引起电流变动，使LED的输出稳定。直流驱动的关键在于保持驱动电流的稳定。光电探测器是整个设计中重要的一部分，他既是后续电子检测系统的前端设备，又是前级光学系统的光信息输出和转换设备，直接 涉及到整个系统的光信息检测的性能。目前，光电探测器的种类很多，有雪崩光电二极管APD和光电倍增管，普通的光敏二极管，PIN光电二极管等，其性能各不相同，需根据要求合理选择。白光干涉接收机要求所选光电探测器具有良好的频率特性以及线性特性，频率响应不仅与探测器本身有关，还与负载电阻有关#因此探测器和负载电阻的合理选择是实现高频响应的关键。

本文详细阐明了白光干涉仪发射和接收机设计过程，特别是以上两个关键设计。选择中心波长为1310nm 的发光二极管作为光源，LED发射电路采用直流驱动，选择PIN光电二极管作为光电探测器，ICL7650斩波自稳零集成运算放大器用作阻抗变换器，不仅使PIN 光电二极管工作在短路状态，而且实现了I-V转换。该白光干涉仪具有稳定性好、噪声低、光电流可调、寿命长等特点。

2 电路设计

2.1发射部分

2.1.1发射电路的设计

发射电路即LED驱动电路，稳压电源提供+5V电压，其电路图如1所示，主要由三端可调集成稳压器LM317、限流电阻R、电位器、LED、串连电阻R1和R2组成。

2.1.2 LED的选择

选用中心波长为1310nm 的发光二极管作为白光干涉仪的光源，谱宽约40nm，相干长度约43μm。他的工作电流为100mA，出纤光功率100μW以上，寿命大于10000h，带有标准活动光纤连接器。

2.1.3 限流电阻和串联电阻

LED的驱动选用直流驱动方式，而且在实际使用中，LED的工作时间较长，保持电路 的稳定性是关键，考虑以上因素，选 择了常见的可调集成稳压器LM317。他无固定的输出电压值，只控制 Vout和ADJ接脚间的电压差为1.25v，LED的最大工作电流 为100mA，驱动电流超过此值时光信号会产生过冲现象，而且对光源的寿命也会有影响。本设计中，限流电阻的使用避免了驱动电流超过LED的最大工作电流，限流电阻的阻值为：

数字面板显示R1和R2两端的电压值，而实际需要显示驱动电路的电流值，利用面板显示可根据要求确定小数点位置这一特点，本设计选择保留一位 小数，即显示V/10。只要R1和R2的总阻值等于10Ω流过他们的总电流就恰巧等于面板的显示电压值，实现了显示驱动电流的要求。设计中选择R1和R2均为20Ω。

2.2 接收部分（PD探测）

2.2.1 接收电路的设计

接收电路即光电探测，包括光电转换，I-V转换和电压放大3部分，见图2

主要由PIN光电探测器，ICL7650斩波自稳零集成运算放大器和OP07运算 放大器组成。光电探测电路的设计需要满足光电转换能力强，动态响应速度快，信号检测能力强，稳定可靠等技术要求。

2.2.2探测器选择以及高频响应特性

衡量光电探测器的主要性能指标包括：响应度、光 电特性、频率特性、光谱特性、温度特性以及噪声特性等"雪崩二极管响应最快，但工作时需要加较高的反偏电压，而且噪声很大。光电倍增管工作时也需要较高的反偏电压，响应偏在紫外方面，主要用于快速，精密的微光测量，一般不用在白光干涉测量系统中。PIN光电二极管的最大特点就是频带宽，可达10GHz，另一个特点是线性输出范围很宽，而且噪声低，性能稳定。因此，本设计光电转换器件选用LED光电二极管。

为了得到很窄的干涉条纹，所选的探测器必须有高频响应特性。实际应用中决定光 电二极管频率响应的主要因素是电路时间常数τc=CDRL，PIN光电二极管的结电容CD 一般可以控制在几个皮法量级，适当增加反偏电压,CD还可以进一步减小,RL越小,τc也越小但输出电压也小，因此合理选择负载电阻是实际使用PIN光电二极管是得到高频响应必须考虑的问题。经调试,R7选择1MΩ的阻值能满足要求。

2.2.3 I-V转换

当PIN管在输出短路时，负载电流与光生电流才保持线性关系。本系统采用的PIN管零偏压，工作方式如图3所示。ICL7650斩波自稳零集成运算放大器，不仅使PIN管工作在短路状态，而且实现了I-V转换。I-V转换是为了实现阻抗匹配,反向偏置的PIN 二极管具有恒流源的性质，内阻很大，在很高的负载电阻的情况下可以得到很大的电压信号，但影响了高频响应，而且如果将反向偏置状态下的PIN二极管直接接到实际的负载电阻上，会因阻抗的失配而削弱信号的幅度。因此需要把高阻抗的电流源变成低阻抗的电压源，然后再与负载相连。

3 测试

将白光干涉仪用于测量形变!实验装置如图4所示，测量钢板尺的微应变。干涉条纹见图5，从干涉条纹可以看出，该白光干涉仪符合实验要求，相干长度只有几十个微米，干涉包络较好。多次测量表明，该光源稳定性好、响应快、噪声低，达到了设计目的。

4 结 语

（1）宽谱光源LED采用直流驱动，用LM317三端集成稳压器满足光路稳定性的要求

（2）通过PIN光电二极管和负载电阻的合理选用，实现了光电探测器的高频响应。

（3）ICL7650斩波自稳零集成运算放大器的使用，不仅使PIN工作在零偏压短路状态，而且实现了I-V转换。

本文摘自《现代电子技术》2007年第2期总第241期   作者：杨艳芳