周祥 周?chē)?guó)清 張飆

摘? 要： 為使APD陣列芯片在不同溫度下保持較為恒定的增益，設(shè)計(jì)反向偏壓自動(dòng)溫度補(bǔ)償系統(tǒng)。采用STM32微處理器對(duì)熱敏電阻分壓采樣和A/D轉(zhuǎn)換后計(jì)算獲得陣列芯片工作溫度，根據(jù)工作溫度求解出合適的反向偏壓值，再通過(guò)調(diào)節(jié)數(shù)字電位器控制高壓模塊輸出解算得到的反向偏壓至APD陣列芯片。采用Matlab仿真方法獲取匹配電阻的阻值避免了繁瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)。應(yīng)用μC/OS嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多任務(wù)程序設(shè)計(jì)，且任務(wù)間采用消息郵箱通信，提高了軟件運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。測(cè)試結(jié)果表明，使用該溫度補(bǔ)償系統(tǒng)的5×5 APD陣列芯片的每個(gè)通道都能在不同溫度下保持本通道輸出信號(hào)幅度基本恒定，證明了系統(tǒng)的有效性和實(shí)用性。

關(guān)鍵詞： APD陣列芯片; 偏置電壓; 溫度補(bǔ)償; 數(shù)字電位器; 芯片工作溫度; 任務(wù)程序設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)： TN722?34; TP301.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2019）16?0083?05

多個(gè)APD（雪崩二極管）集成在一個(gè)芯片上形成APD陣列芯片，此類(lèi)芯片用于脈沖式激光雷達(dá)再配合多路高精度計(jì)時(shí)可以對(duì)探測(cè)目標(biāo)瞬間三維成像[1]。APD在反向高壓偏置下，經(jīng)光照射后產(chǎn)生雪崩倍增效應(yīng)，使流過(guò)APD的電流是相同光照條件下零偏置電壓時(shí)電流的M倍，M為倍增增益，其值可達(dá)數(shù)百，但M過(guò)大APD內(nèi)信噪比降低，會(huì)淹沒(méi)有用信號(hào)[2]。制造公差和溫度變化都會(huì)引起倍增增益M劇烈變化，APD陣列芯片上的多個(gè)APD是在相同條件下制備出來(lái)的，故只考慮溫度變化對(duì)M的影響。溫度恒定時(shí)APD反向偏置電壓UR與雪崩擊穿電壓UBR的比值k決定了M的大小，二者函數(shù)關(guān)系由式（1）給出[3?4]，溫度變化時(shí)UBR隨之變化，故應(yīng)控制[UR]跟隨溫度進(jìn)行改變，才能保證APD倍增增益M基本穩(wěn)定。

[UR=k（UBR+α（T-T0））] （1）

現(xiàn)有的測(cè)量方法只是應(yīng)用于單只APD，有的設(shè)計(jì)采用線性溫度傳感器，利用模擬電位器手動(dòng)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整[3?4];有的設(shè)計(jì)直接應(yīng)用APD偏壓控制芯片對(duì)APD反向偏置電壓進(jìn)行控制，但是一片該芯片只能控制一只APD的偏壓[5]，無(wú)法適用于APD陣列芯片;還有的則是設(shè)計(jì)APD恒溫控制系統(tǒng)，使APD處于恒溫環(huán)境中[6?8]，這類(lèi)方法成本偏高;還有的采用溫度補(bǔ)償二極管、運(yùn)放、AD、DA構(gòu)成偏壓補(bǔ)償閉環(huán)[9]。本設(shè)計(jì)中使用NTC（負(fù)溫度系數(shù)）熱敏電阻作為溫度傳感器，它的靈敏度高，0805封裝，可直接安裝在APD陣列芯片上，但其阻值與溫度呈非線性指數(shù)關(guān)系。設(shè)計(jì)中采用STM32微處理器、數(shù)字電位器和輸出可調(diào)高壓模塊，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行在μC/OS操作系統(tǒng)上，且用于APD陣列芯片的完全依靠程序控制的反向偏置電壓自動(dòng)溫度補(bǔ)償系統(tǒng)。

1? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1為APD陣列芯片反向偏壓自動(dòng)溫度補(bǔ)償系統(tǒng)框圖。APD陣列芯片使用德國(guó)First Sensor公司的5×5硅APD陣列芯片，型號(hào)為25AA0.16?9。系統(tǒng)以STM32作為核心處理器，通過(guò)采樣APD陣列芯片上熱敏電阻的分壓并經(jīng)AD_1轉(zhuǎn)換后計(jì)算出熱敏電阻值，再查表后得到APD陣列芯片工作溫度;然后，求解出該溫度下所需的反向偏壓值，并計(jì)算出數(shù)字電位器應(yīng)該輸出的電阻值;最后，控制高壓模塊輸出解算得到的反向偏壓至APD陣列芯片。AD_2對(duì)高壓模塊實(shí)際輸出電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，起到安全監(jiān)測(cè)作用。LCD使用字符液晶模塊，用于顯示熱敏電阻上分壓值VS，熱敏電阻阻值RNTC，APD陣列芯片工作溫度T，高壓電源模塊輸出值UR，數(shù)字電位器的8 bit數(shù)字分度值Dn。圖2為該系統(tǒng)的實(shí)物照片，高壓模塊輸出通過(guò)9芯插頭與APD陣列芯片所在激光雷達(dá)模塊相連，APD陣列芯片上的熱敏電阻經(jīng)由圖中三芯插座接入本設(shè)計(jì)系統(tǒng)，圖中16芯單排座插接LCD模塊。

2? 硬件設(shè)計(jì)

2.1? A/D轉(zhuǎn)換電路

APD陣列芯片上安裝了一個(gè)熱敏電阻， 只需檢測(cè)該熱敏電阻的值就可以獲知APD芯片的工作溫度。電壓取樣電路如圖3所示，通過(guò)檢測(cè)S處的電壓VS間接獲得熱敏電阻的阻值，從而得到APD陣列芯片工作溫度。APD陣列芯片上的熱敏電阻接入P7插座（圖2中的三芯插座），AD_TEMP連接STM32處理器的ADC端口，A/D轉(zhuǎn)換后可獲得S處電壓VS。Rup和Rdown用作匹配，保證采樣電壓VS具有合適的動(dòng)態(tài)范圍。

設(shè)計(jì)要求系統(tǒng)工作溫度為 0～65 ℃，負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻阻值RNTC變化范圍為27.6 kΩ（0 ℃）～2.60 kΩ（65 ℃），為保證測(cè)量準(zhǔn)確，采樣電壓VS的動(dòng)態(tài)范圍應(yīng)與RNTC變化范圍均勻匹配，這就需要合理選擇Rup，Rdown的電阻值。根據(jù)圖3計(jì)算可得：

[VS=3.28（RNTC+Rdown）（Rup+Rdown+RNTC）] （2）

[RNTC=（VS（Rup+Rdown）-3.28Rdown）（3.28-VS）] （3）

熱敏電阻阻值與溫度呈非線性關(guān)系，為了回避繁瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，本設(shè)計(jì)采用Matlab仿真的方法獲得Rup，Rdown的合適值。圖4為不同 Rup，Rdown與VS?RNTC關(guān)系的Matlab仿真圖。圖4a）VS與RNTC均勻?qū)?yīng)，圖4b）當(dāng)RNTC>10 kΩ后VS（3.05～3.15 V）動(dòng)態(tài)范圍迅速收窄，圖4c）VS（3.04～3.2 V）在全區(qū)段動(dòng)態(tài)范圍都很窄，所以本設(shè)計(jì)Rup取5.6 kΩ，Rdown取1 kΩ。

2.2? 反向偏壓計(jì)算及調(diào)節(jié)原理

由第1節(jié)知，在保證信噪比條件下APD偏置電壓UR調(diào)節(jié)得越接近雪崩擊穿電壓UBR，倍增增益M就大，電流放大倍數(shù)就高。圖5為本設(shè)計(jì)使用的APD陣列芯片UBR與溫度T的關(guān)系曲線，二者呈線性關(guān)系：

[UBR=1.39T+175] （4）

根據(jù)式（1），為了保持較高信噪比，k取0.8，調(diào)節(jié)偏置電壓UR使其隨溫度同步變化就能使倍增增益M基本恒定。反向偏壓UR計(jì)算步驟如下：

1） 將A/D轉(zhuǎn)換獲得的VS值代入式（3）可計(jì)算出RNTC的電阻值;

2） 查熱敏電阻阻值與溫度的對(duì)照表得到APD陣列芯片的工作溫度T;

3） 結(jié)合圖5與式（4）計(jì)算出該溫度下的雪崩擊穿電壓UBR;

4） 使用式（1）計(jì)算出當(dāng)前溫度下所需要的反向偏置電壓UR值。

APD反向偏置電壓UR是由高壓電源模塊提供，本設(shè)計(jì)選用東文高壓電源公司生產(chǎn)的輸出可調(diào)高壓模塊，其輸出電壓范圍為-300～0 V，調(diào)節(jié)電壓范圍為0～5 V，且輸出高壓UHV與調(diào)節(jié)電壓UADJ呈線性關(guān)系：UHV=-60UADJ，因此只要調(diào)節(jié)UADJ就可改變UHV。UHV就是接入到APD陣列芯片的反向偏置電壓UR，為使UHV能跟隨APD陣列芯片工作溫度而變化，本設(shè)計(jì)利用數(shù)字電位器上的分壓作為高壓模塊的調(diào)節(jié)電壓，這樣STM32處理器就可以根據(jù)APD陣列芯片工作溫度通過(guò)軟件調(diào)節(jié)數(shù)字電位器來(lái)達(dá)到對(duì)UHV進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)反向偏置電壓UR自動(dòng)跟隨溫度而變化，從而保證APD陣列芯片倍增增益M始終處于合適范圍。

2.3? 反向偏壓調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)選用Microchip公司256分度10 kΩ數(shù)字電位器，型號(hào)為MCP410?10，配置其工作在可變電阻模式。圖6中[CS]?1，SCK?1，SI?1連接STM32微處理器，二者以SPI方式通信，PB0與PW0之間的電阻為數(shù)字電位器輸出電阻RWB;[R′up]一端連接MCP410的7腳（PB0）和高壓電源模塊的調(diào)節(jié)電壓輸入端Adj，另一端連接高壓電源模塊5 V參考電壓輸出端Vref;由式（1）、式（4）計(jì)算出高壓電源模塊輸出電壓區(qū)間為100～250 V;電阻[R′up]和[R′down]用作匹配。根據(jù)圖6計(jì)算可得：

[RWB=R′down+R′upUHV-300R′down300-UHV] （5）

[Dn=1 000RWB-5225610 000] （6）

式中：[RWB] 單位為kΩ;[Dn]分別為數(shù)字電位器輸出電阻值和對(duì)應(yīng)的8 bit數(shù)字分度值;UHV為高壓電源模塊輸出的電壓值。為保證數(shù)字電位器10 kΩ調(diào)節(jié)范圍與高壓電源模塊輸出電壓區(qū)間均勻?qū)?yīng)需要合理選擇[R′up]，[R′down]的電阻值。為避免數(shù)學(xué)推導(dǎo)，本設(shè)計(jì)采用Matlab仿真的方法獲得[R′up]，[R′down]的合適值。圖7為不同 [R′up]，[R′down]與UHV?RWB關(guān)系的Matlab仿真圖。圖7a）RWB與UHV均勻?qū)?yīng)，圖7b）當(dāng)UHV>200 V后RWB已經(jīng)超過(guò)10 kΩ有效范圍，圖7c）只使用了RWB<4 kΩ的范圍。所以本設(shè)計(jì)[R′up]取2.2 kΩ，[R′down]取1 kΩ。

3? 基于消息郵箱機(jī)制的μC/OS多任務(wù)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的軟件運(yùn)行在μC/OS II嵌入式操作系統(tǒng)上。μC/OS II是一個(gè)完整、可移植、可固化、可裁剪的搶占式多任務(wù)內(nèi)核，包含了任務(wù)調(diào)度、任務(wù)管理、時(shí)間管理、內(nèi)存管理和任務(wù)間通信、同步等基本功能，并可方便地移植到各種8位、16位和32位微處理器上[10?11]。本設(shè)計(jì)建立A/D轉(zhuǎn)換任務(wù)、計(jì)算任務(wù)、顯示任務(wù)和開(kāi)始任務(wù)，四個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)依次降低。開(kāi)始任務(wù)的作用是在μC/OS II操作系統(tǒng)運(yùn)行后建立其他三個(gè)任務(wù)，然后開(kāi)始任務(wù)被掛起。A/D轉(zhuǎn)換任務(wù)將圖3中S點(diǎn)電壓VS和圖6中UR轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。計(jì)算任務(wù)用于計(jì)算數(shù)字電位器應(yīng)當(dāng)輸出的電阻值，從而決定高壓電源模塊輸出電壓值UHV，即APD陣列芯片獲得的反向偏壓UR。該任務(wù)的計(jì)算步驟為：

1） 由式（3）計(jì)算熱敏電阻值RNTC;

2） 查表得到APD陣列芯片工作溫度T;

3） 依據(jù)式（4）計(jì)算雪崩擊穿電壓UBR;

4） 由式（1）計(jì)算反向偏壓UR。

5） 由式（5）和式（6）計(jì)算數(shù)字電位器應(yīng)當(dāng)撥到的位置Dn，使其輸出電阻RWB，這樣高壓電源模塊就獲得了相應(yīng)的調(diào)節(jié)電壓UADJ，其輸出UHV即為APD陣列芯片得到的反向偏置電壓UR。

LCD任務(wù)用于顯示VS，RNTC，T，UHV，Dn。任務(wù)間采用消息郵箱進(jìn)行通信，消息郵箱由μC/OS II操作系統(tǒng)自動(dòng)管理，簡(jiǎn)化了任務(wù)間通信編程，同時(shí)還保證了通信的穩(wěn)定性。圖8為軟件工作流程圖。

4? 測(cè)試與驗(yàn)證

熱敏電阻的阻值與溫度呈指數(shù)關(guān)系，通過(guò)第3.1節(jié)中Rup和Rdown的電阻匹配后VS與T呈現(xiàn)出近似線性的關(guān)系，測(cè)試結(jié)果如圖9a）所示;經(jīng)第3.2和第3.3節(jié)解算后由高壓電源模塊輸出的偏置電壓UHV與陣列芯片工作溫度T符合式（1）的線性關(guān)系，測(cè)試結(jié)果如圖9b）所示。

為了驗(yàn)證APD陣列溫度補(bǔ)償效果，將本設(shè)計(jì)的偏壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)裝載到基金課題中研制的5×5 APD陣列激光雷達(dá)上。試驗(yàn)中激光雷達(dá)對(duì)同一目標(biāo)照射，表1記錄了其中一個(gè)APD通道一天中不同時(shí)段的回波信號(hào)參數(shù)，分別為信號(hào)幅度和上升時(shí)間。表1中第2，3列是無(wú)溫度補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù)，第4，5列是有溫度補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù)。表1最后兩行計(jì)算了均值和標(biāo)準(zhǔn)差，可見(jiàn)有溫度補(bǔ)償時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)差σ明顯小于無(wú)溫度補(bǔ)償時(shí)的數(shù)據(jù)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)了該APD陣列自動(dòng)溫度補(bǔ)償系統(tǒng)能夠使APD在不同溫度下保持輸出信號(hào)幅度基本恒定。

5? 結(jié)? 論

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用于APD陣列芯片的具有溫度補(bǔ)償功能的反向偏壓自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。系統(tǒng)中的STM32處理器實(shí)現(xiàn)對(duì)陣列芯片上的熱敏電阻分壓采樣、A/D轉(zhuǎn)換;完成了熱敏電阻值、反向偏壓值、數(shù)字電位器分度值的計(jì)算;控制高壓電源模塊輸出反向偏壓至APD陣列芯片。本文還運(yùn)用Matlab仿真方法求取電路中匹配電阻的合理阻值，更易于工程實(shí)現(xiàn)。軟件上采用基于優(yōu)先級(jí)調(diào)度的μC/OS嵌入式操作系統(tǒng)方便地實(shí)現(xiàn)了多任務(wù)程序設(shè)計(jì)，任務(wù)間通信采用消息郵箱機(jī)制，提高了系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性。經(jīng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，本設(shè)計(jì)的APD陣列各個(gè)通道都可在不同溫度下保持穩(wěn)定的增益。

注：本文通訊作者為周?chē)?guó)清。

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