1 引言
隨著光通信技術(shù)的迅速發(fā)展,,MEMS光開關(guān)由于具有插入損耗和串話小、消光比高,、穩(wěn)定性好,、透明性和可擴(kuò)展性好、易于集成,、偏振不靈敏等優(yōu)點(diǎn),將成為核心光交換器件的主流,。其靜電驅(qū)動(dòng)是目前廣泛研究的一種,,常見的靜電驅(qū)動(dòng)方式有:梳狀電極,、SDA(scratch drive actuator)、懸臂驅(qū)動(dòng)和扭臂驅(qū)動(dòng)等,。懸臂和扭臂驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電壓高 于前兩者,,但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝上容易實(shí)現(xiàn),。在選取其微反射鏡最佳工作狀態(tài)時(shí),,需要電壓、頻率,,占空比連續(xù)可調(diào)的方波信號(hào)為激勵(lì)源,。傳統(tǒng)的選取方法需要示波器、脈沖信號(hào)發(fā)生器,,直流穩(wěn)壓源三臺(tái)儀器協(xié)調(diào)工作才能完成,,并且存在諸多弊端,如:測(cè)量?jī)x器成本高,、操作繁瑣,、測(cè)試周期長(zhǎng)、測(cè)量精度低等,。而在本文介紹的測(cè)量平臺(tái)中,,通過高幅值利用單片機(jī)控制脈沖頻率的方法來選擇器件。與當(dāng)前同類方法相比,,具有精度高,、可靠性強(qiáng)、成本低,、易操作等優(yōu)點(diǎn),。
2 光開關(guān)工作原理
圖1為2×2微機(jī)械光開關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖,可以采用體硅微機(jī)械加工的方法在(100)硅片上制作,。微反射鏡和上電極連在一起,,在沒有電壓輸入時(shí),上電極的位置不動(dòng),,微反射鏡處在光通路上,,從入射光纖發(fā)出的光被微反射鏡反射,改變方向后進(jìn)入到鏡面同一側(cè)的出射光纖中,,這是開關(guān)的反射狀態(tài),。當(dāng)上電極和下電極之間有電壓輸入時(shí),在靜電力的作用下,,上電極帶動(dòng)微反射鏡移開光通路,,入射光沿直線傳播進(jìn)入前方的出射光纖,這是開光的直通狀態(tài)。圖2為閾值電壓隨扭梁的厚度變化曲線,,圖3為驅(qū)動(dòng)電壓與懸梁位移之間的關(guān)系曲線,。
3 方案設(shè)計(jì)與分析
其工作原理是先由單片機(jī)產(chǎn)生頻率占空比可調(diào)的脈沖信號(hào),但因最終信號(hào)的電壓幅值在40~70V,,遠(yuǎn)大于單片機(jī)的工作電壓(5V),,故將單片機(jī)產(chǎn)生的信號(hào)先接光耦隔離,再輸出到后級(jí)的放大電路,,然后根據(jù)放大電路的調(diào)整,,輸出峰峰值可調(diào)的信號(hào)。由此可見系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要涉及三個(gè)關(guān)鍵部分:產(chǎn)生頻率和占空比可調(diào)的方波信號(hào),、信號(hào)放大以及最終信號(hào)幅值的測(cè)量,。
3.1方波信號(hào)源的設(shè)計(jì)
方波信號(hào)的產(chǎn)生電路主要由AT89C2051單片機(jī)、晶振電路,、鍵盤參數(shù)輸入和LED狀態(tài)顯示等部分組成,。單片機(jī)AT89C2051由軟件控制,產(chǎn)生方波信號(hào),。軟件的設(shè)計(jì)是利用AT89C2051內(nèi)計(jì)數(shù)器/定時(shí)器T0和T1互相配合來控制方波的頻率和占空比的,。AT89C2051使用12M晶振,所以單片機(jī)執(zhí)行一條指令的時(shí)間為1μs,這樣根據(jù)鍵盤輸入的頻率值f和占空比d, 得到周期時(shí)間常數(shù)Tt(T t=1/f)和正脈沖的時(shí)間長(zhǎng)度T d(Td=Tt×d%),分別送給計(jì)數(shù)器/定時(shí)器T0,、T1,。T0、T1同時(shí)開始計(jì)數(shù),,同時(shí)使輸出為高電平,,因?yàn)門d≤T t, 故T1首先計(jì)滿溢出,執(zhí)行T1的中斷服務(wù)子程序,,拉低輸出電平使輸出低電平,,同時(shí)停止T1計(jì)數(shù)。在等待一段時(shí)間,,待到T0計(jì)滿,, 再調(diào)用執(zhí)行T0的中斷服務(wù)子程序, T0,、T1重新裝載定時(shí)常數(shù)并開始計(jì)時(shí),,同時(shí)把輸出電平拉回高電平。由此完成一個(gè)周期的輸出,。頻率和占空比的改變只需改變T0,、T1的定時(shí)常數(shù)。輸出的波形如圖4,。
3.2 信號(hào)放大部分
單片機(jī)輸出的方波信號(hào)高電平時(shí)只有5V左右,,而輸出要達(dá)到40~70V,,普通的三極管放大電路不能承受這么大的電壓。因此在設(shè)計(jì)中采用MOS管,,而且MOS管有很好的開關(guān)性能,,會(huì)使輸出波形很好。電路如圖5,。
由LM317搭建的穩(wěn)壓電源(見圖6)提供40~ 70V的直流電壓Vcout。這個(gè)直流電壓輸出值可由圖中的滑動(dòng)變阻器WR調(diào)整,。Vcout通過上拉電阻加在 MOS管的漏級(jí)上,,這樣當(dāng)MOS管工作在開關(guān)狀態(tài)時(shí),從漏級(jí)的輸出的電壓就在0V和 Vcout之間變化,,就由此產(chǎn)生幅值為V cout的方波信號(hào),。可見,,只要單片機(jī)輸出的方波信號(hào)可控制MOS管的開關(guān)狀態(tài),,即可使輸出高幅值的方波信號(hào)與單片機(jī)由軟件設(shè)計(jì)輸出的方波同頻率同占空比。但是單片機(jī)輸出的信號(hào)大約在5V左右,,若與后面加有高達(dá)40~70V電壓的MOS管直接相連,,這樣當(dāng)MOS管后級(jí)短路輸出的高壓很容易被引入單片機(jī)內(nèi),將單片機(jī)燒壞,。因此必須采用措施避免這種危險(xiǎn)的發(fā)生,。在此設(shè)計(jì)中采用光耦使得后面輸出的高電壓與單片機(jī)工作時(shí)的5V低壓安全隔離開。
3.3 終信號(hào)幅值的測(cè)量
最后輸出的信號(hào)為方波信號(hào),,要想直接測(cè)量輸出的峰峰值很困難,。但分析完電路不難發(fā)現(xiàn)當(dāng)MOS管截止時(shí),MOS管的輸出 Vout與穩(wěn)壓源提供的Vcout 幾乎相等,。由此可知可以通過測(cè)量穩(wěn)壓源輸出的V cout直流電壓,,即可得MOS管輸出方波信號(hào)的峰峰值。
在測(cè)量電壓值不是很精確的情況下,,可直接把穩(wěn)壓源提供的Vcout經(jīng)電阻按比例分壓,,分出的電壓通過A/D轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)處理,所得的結(jié)果乘以比例系數(shù),,即可得 Vcout的實(shí)際電壓值,。將這個(gè)值直接送顯示部分,則很直觀的顯示出方波峰峰值,。在我們實(shí)際設(shè)計(jì)的儀器中,,顯示的Vout測(cè)量值與空載時(shí)的輸出值誤差不超過±0.5V。證明在測(cè)量電壓值要求不是很精確的情況下,,這種方案是方便可行的,。
3.4 主控平臺(tái)和顯示部分
從總體來看,產(chǎn)生信號(hào)的部分和最終信號(hào)幅值測(cè)量顯示部分是各自獨(dú)立分開的,由兩個(gè)AT89C2051分別完成形成一個(gè)簡(jiǎn)單的分布式結(jié)構(gòu),。這樣的結(jié)構(gòu)提高了整個(gè)軟件部分的穩(wěn)定性,。
主控平臺(tái)由第一個(gè)AT89C2051來完成,直接控制方波信號(hào)的產(chǎn)生,,而且還包括方波信號(hào)的頻率,、占空比的設(shè)置和顯示,提供友好的人機(jī)接口,。
對(duì)于輸出的信號(hào),,應(yīng)該給用戶盡量直觀的結(jié)果, 在主控平臺(tái)提供頻率和占空比顯示的同時(shí),,還應(yīng)使用戶直觀準(zhǔn)確地知道輸出信號(hào)幅值,,這樣在用戶沒有第三方的測(cè)量?jī)x器的情況下,對(duì)儀器操作非常方便和精確,。這部分的工作就由第二個(gè) AT89C2051和A/D轉(zhuǎn)換器AD0804配合完成,。
單片機(jī)核心部分源程序如下:
… …
//generate pulse signal
//period= the period of pulse signal
//positive=the length of positive voltage
timer0() interrupt 1 using 1 {
unsigned int temp;
out=1; //output VOH
temp=65535-period;
TL0=temp; //set value for timer0
TH0=temp>>8;
temp=65535-positive;
TL1=temp; //set value for timer1
TH1=temp>>8;
TR1=1;
TR0=1; //start timer1, 0
}
timer1() interrupt 3 using 2 {
out=0; //timer1記滿,output VOL
TR1=0; //stop timer1
}
…
4 結(jié)語
測(cè)量懸臂和扭臂驅(qū)動(dòng)的光開關(guān)的驅(qū)動(dòng)電壓是在制作微機(jī)械光開關(guān)過程中比較繁瑣的程序,本測(cè)量平臺(tái)采用單片機(jī)控制脈沖頻率的方法來選擇器件,。與傳統(tǒng)方法相比,,具有精度高、可靠性強(qiáng),、成本低,、易操作等優(yōu)點(diǎn)。本測(cè)量平臺(tái)經(jīng)過吉林大學(xué)集成 光電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室近半年的使用,,系統(tǒng)穩(wěn)定,,效果良好,是一種省時(shí)高效的測(cè)量方法,。