一種光纖延遲線的延遲時(shí)間測量電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及光纖技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器芯片的光纖延遲線的延遲時(shí)間測量電路。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著光纖技術(shù)的不斷發(fā)展，作為新型信號(hào)處理器件的光纖延遲線正廣泛應(yīng)用。光纖延遲線的原理是射頻電信號(hào)變換成該信號(hào)調(diào)制的光信號(hào)后送入光纖，再將射頻調(diào)制的光信號(hào)變換為原來的射頻電信號(hào)。射頻信號(hào)瞬時(shí)存儲(chǔ)在光纖延遲線中，延遲時(shí)間與光纖的長度成正比。
[0003]光纖延遲線在光纖通信系統(tǒng)中可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的編碼與緩存，在光纖傳感與光學(xué)測量系統(tǒng)中參與實(shí)現(xiàn)測量信號(hào)的采集與傳輸，在光控相控陣列天線系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)的精確相位分配與控制、雷達(dá)回波信號(hào)的相關(guān)除噪，在電子對(duì)抗系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)信號(hào)瞬間存儲(chǔ)、對(duì)敵方實(shí)施欺騙性干擾的激光引信系統(tǒng)；也在微波光子學(xué)等領(lǐng)域得到應(yīng)用。相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域均要求光纖延遲線的延遲時(shí)間必須非常精確，尤其是在軍事應(yīng)用領(lǐng)域，要求更加嚴(yán)格。
[0004]雖然目前測量光纖延遲線延遲時(shí)間的方法有很多，但測量精度都不高，專門的光纖延遲線延遲時(shí)間測量儀器國內(nèi)外均還處于研制階段。目前市場急需快速、準(zhǔn)確測量光纖延遲線延遲時(shí)間的測量裝置和方法。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]本實(shí)用新型的目的是設(shè)計(jì)一種光纖延遲線的延遲時(shí)間測量電路，包括激光脈沖發(fā)射部分、激光脈沖接收部分、時(shí)間數(shù)字處理模塊及主控制電路部分，以時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片(Time to Digital Converter，TDC)為核心的時(shí)間數(shù)字處理模塊，測量經(jīng)過光纖延遲線和沒經(jīng)過光纖延遲線的光脈沖間隔時(shí)間，得到激光在光纖延遲線中的準(zhǔn)確延遲時(shí)間。
[0006]本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的一種光纖延遲線的延遲時(shí)間測量電路包括激光脈沖發(fā)射部分、激光脈沖接收部分、時(shí)間數(shù)字處理模塊及主控制模塊。
[0007]所述激光脈沖發(fā)射部分包括激光器、激光器驅(qū)動(dòng)電路、光纖分路器，激光器驅(qū)動(dòng)電路的信號(hào)輸出端接入激光器的控制端，激光器發(fā)射的激光接入光纖分路器。激光器驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生窄脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)并輸出可控驅(qū)動(dòng)電流，驅(qū)動(dòng)激光器發(fā)出窄脈沖激光，進(jìn)入光纖分路器的窄脈沖激光作為信號(hào)源分成兩路。
[0008]激光脈沖接收部分包括兩套相同的電路，即順序連接第一光電探測器、第一自動(dòng)增益控制電路和第一時(shí)刻鑒別電路，以及順序連接第二光電探測器、第二自動(dòng)增益控制電路和第二時(shí)刻鑒別電路。光纖分路器分出的一路窄脈沖激光直接進(jìn)入第一光電探測器，另一路窄脈沖激光經(jīng)過待測的光纖延遲線后進(jìn)入第二光電探測器。兩個(gè)光電探測器轉(zhuǎn)換所得的電信號(hào)分別經(jīng)各自的自動(dòng)增益控制電路接入各自的時(shí)刻鑒別電路。
[0009]第一時(shí)刻鑒別電路和第二時(shí)刻鑒別電路的輸出分別作為啟動(dòng)計(jì)時(shí)和結(jié)束計(jì)時(shí)信號(hào)接入時(shí)間數(shù)字處理模塊的啟和停通道。時(shí)間數(shù)字處理模塊為時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片及附屬電路，其輸出接入主控制模塊。
[0010]主控制模塊與上位機(jī)相連接，由上位機(jī)配置主控制模塊的相關(guān)參數(shù)，控制延遲時(shí)間測量的過程，測量結(jié)果由上位機(jī)顯示輸出。上位機(jī)配置參數(shù)包括時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片工作模式選擇和測量模式選擇。時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片(TDC-GPX芯片)的設(shè)計(jì)可按需求選擇1、G、R、M四種工作模式，對(duì)應(yīng)不同的精度和測量范圍。測量模式選擇I?20次的測量次數(shù)，當(dāng)選擇多次測量模式芯片可對(duì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比和平均化處理。
[0011]所述的激光器為單縱模DFB激光器(外調(diào)制的分布反饋激光器)，中心波長為1064nm，譜寬小于10nm，上升下降時(shí)間小于Ins。其線性度好、響應(yīng)速度快、工作頻率高、頻帶寬，以產(chǎn)生上升、下降時(shí)間小的窄脈沖激光。
[0012]所述的光纖分路器為單模光纖分路器，分光比為90:10?97: 3，大部分激光束進(jìn)入待測光纖延遲線。
[0013]所述的第一、第二光電探測器為響應(yīng)頻率大于7.5GHz，暗電流小于5nA，響應(yīng)波長覆蓋1064±20nm的APD(雪崩光電二極管)類型光電探測器。
[0014]所述的第一、第二光電探測器的電路結(jié)構(gòu)相同，包括Aro光電探測器和檢測電路，APD光電探測器將接收到的光信號(hào)變?yōu)榕c之成比例的電流信號(hào)，檢測電路為由低噪聲集成運(yùn)放及反饋電阻組成的低噪聲跨阻放大電路，將Aro光電探測器所得電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)并進(jìn)行放大，抑制對(duì)光電探測器的暗電流噪聲，有效減小噪聲對(duì)測量系統(tǒng)的影響，以利于時(shí)刻鑒別電路的鑒別閾值判定。
[0015]所述第一、第二自動(dòng)增益控制電路的結(jié)構(gòu)相同，包括順序連接的可控增益放大器和峰值檢測器，還有增益控制器，前一級(jí)光電控測器的輸出接入可控增益放大器，峰值檢測器的輸出端接入時(shí)刻鑒別電路，其反饋信號(hào)接入增益控制器；增益控制器的控制信號(hào)接入可控增益放大器。增益控制器根據(jù)反饋信號(hào)控制可控增益放大器，使其放大的脈沖信號(hào)幅值保持在固定的區(qū)間內(nèi)，有效地降低由于脈沖信號(hào)強(qiáng)度的變化造成時(shí)刻鑒別誤差。
[0016]所述第一、第二時(shí)刻鑒別電路的結(jié)構(gòu)相同，包括延時(shí)器、低通濾波器、反向輸入電路、2個(gè)高速比較器和D觸發(fā)器，前一級(jí)自動(dòng)增益控制電路輸出信號(hào)分為三路，第一路信號(hào)經(jīng)延時(shí)器輸入高速比較器A的正相輸入端，第二路信號(hào)經(jīng)低通濾波器輸入到高速比較器A的反相輸入端，第三路信號(hào)直接輸入到高速比較器B的正相輸入端，反向輸入電路的輸出信號(hào)接入高速比較器B的反相輸入端。高速比較器A和高速比較器B的輸出接入D觸發(fā)器，第一、第二時(shí)刻鑒別電路的D觸發(fā)器輸出的TTL電平信號(hào)分別作為啟動(dòng)計(jì)時(shí)和結(jié)束計(jì)時(shí)信號(hào)接入時(shí)間數(shù)字處理模塊的啟和停通道。
[0017]所述第一、第二時(shí)刻鑒別電路中的高速比較器A、B響應(yīng)時(shí)間小于500ps，最高工作帶寬大于4GHz，并配有TTL/CM0S電平兼容輸出。
[0018]使用時(shí)本電路通電、完成初始化，需要時(shí)上位機(jī)配置主控制模塊的工作模式和測量模式，即選擇時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片的工作模式和測量模式；主控制模塊發(fā)送指令到激光脈沖發(fā)射部分的激光器驅(qū)動(dòng)電路，激光器驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)激光器發(fā)出脈沖激光束，激光束經(jīng)光纖分路器分為兩束，其中一束直接進(jìn)入激光脈沖接收部分的第二光電探測器、第二自動(dòng)增益控制電路和第二時(shí)刻鑒別電路，另一束則經(jīng)過待測的光纖延遲線進(jìn)入第一光電探測器、第一自動(dòng)增益控制電路和第一時(shí)刻鑒別電路，光電探測器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖電信號(hào)，自動(dòng)增益控制電路將脈沖激光信號(hào)轉(zhuǎn)換的模擬脈沖電壓調(diào)整為幅值和形狀趨近一致的脈沖電壓信號(hào)。自動(dòng)增益控制電路輸出的脈沖電壓信號(hào)在時(shí)刻鑒別電路分成三路，經(jīng)延時(shí)器輸入到高速比較器A正相輸入端反向延時(shí)信號(hào)和經(jīng)低通濾波器衰減后的衰減信號(hào)相加、產(chǎn)生的過零點(diǎn)為時(shí)刻鑒別的定時(shí)點(diǎn)。當(dāng)高速比較器A的正相、反相輸入端信號(hào)的相對(duì)大小發(fā)生改變時(shí)，其輸出狀態(tài)改變，狀態(tài)改變后的時(shí)刻點(diǎn)不受輸入信號(hào)幅值的改變的影響，定時(shí)點(diǎn)始終在信號(hào)達(dá)到其某一固定大小比例時(shí)發(fā)生，故可實(shí)現(xiàn)恒定比值時(shí)刻鑒別。高速比較器B作為鑒別比較器，反向輸入電路的信號(hào)調(diào)節(jié)其鑒別的閾值。高速比較器A和B輸出的時(shí)刻信號(hào)送入D觸發(fā)器產(chǎn)生同步的TTL信號(hào)。反向輸入電路設(shè)定一個(gè)鑒別的閾值，通過調(diào)節(jié)方向輸入電路的輸出電壓改變閾值大小。只有當(dāng)高速比較器B輸入信號(hào)的幅值大于鑒別閾值時(shí)，高速比較器B才輸出“高”信號(hào)進(jìn)入D觸發(fā)器的CLK (時(shí)鐘)輸入端，令D觸發(fā)器產(chǎn)生與高速比較器A同步的信號(hào)。而當(dāng)高速比較器B輸入信號(hào)低于鑒別閾值時(shí)，D觸發(fā)器輸出為高電平。
[0019]直接進(jìn)入第一光電探測器的脈沖激光、經(jīng)第一自動(dòng)增益控制電路和第一時(shí)刻鑒別電路產(chǎn)生的TTL信號(hào)接入時(shí)間數(shù)字處理模塊的啟通道，為其計(jì)時(shí)的起始信號(hào)；經(jīng)過光纖延遲線進(jìn)入第二光電探測器的脈沖激光、經(jīng)第二自動(dòng)增益控制電路和第二時(shí)刻鑒別電路產(chǎn)生的TTL信號(hào)接入時(shí)間數(shù)字處理模塊的停通道，為其計(jì)時(shí)的終止信號(hào)。數(shù)字處理模塊由計(jì)時(shí)的起始信號(hào)和計(jì)時(shí)的終止信號(hào)得到二者的時(shí)間差，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)主控制模塊發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)顯示并輸出測量結(jié)果。主控制模塊得到測量結(jié)果后，發(fā)送指令到激光脈沖發(fā)射部分的激光器驅(qū)動(dòng)電路，停止激光發(fā)射。
[0020]與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本實(shí)用新型一種光纖延遲線的延遲時(shí)間測量電路的優(yōu)點(diǎn)為:1、自動(dòng)增益控制電路控制脈沖信號(hào)放大幅值趨近一致，減小了整個(gè)電路的時(shí)刻鑒別誤差，時(shí)刻鑒別電路為恒定比值鑒別，即使輸出幅值改變，定時(shí)點(diǎn)始終在信號(hào)達(dá)到固定比例時(shí)產(chǎn)生，有效地降低激光脈沖幅值變化所引起的漂移誤差，結(jié)合激光器的超窄脈沖激光，時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片可實(shí)現(xiàn)皮秒級(jí)的延遲時(shí)間測量，測量精度高、測量刷新率高；2、本電路采用現(xiàn)有元器件，易于實(shí)施，且體積小、功耗低，適用于各領(lǐng)域光纖延遲線延遲時(shí)間的測量。
【附圖說明】
[0021]圖1為本光纖延遲線的延遲時(shí)間測量電路的結(jié)構(gòu)框圖。
[0022]圖2為圖1中激光接收部分的自動(dòng)增益控制電路框圖；
[0023]圖3為圖1中激光接收部分的時(shí)刻鑒別電路框圖電路。
【具體實(shí)施方式】
[0024]本光纖延遲線的延遲時(shí)間測量電路實(shí)施例如圖1所示，包括激光脈沖發(fā)