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用于瓦斯检测的d f b 激光器驱动与温控系统研究 摘要 甲烷对特定波长激光的特征吸收是精确测量其浓度的有效方法。在该方法中，需要 使用波长可调谐的激光器，分布反馈式( d f b ) 激光器是可选光源之一。为了使分布式 激光器的波长与甲烷气体的吸收峰值能够有效匹配，需要对分布反馈式半导体激光器的 波长进行精确调谐。由于波长与温度和驱动电流有确定的依赖关系，研究分布反馈式半 导体激光器的电流驱动和温度控制模块是非常重要的。目前，国内外的温度控制和电流 驱动大多是独立的、功能比较完善，但价格昂贵，性价比低，为了提高性能、降低价格， 本文研究了d f b 型半导体激光器的驱动与温控系统。该系统结构简单，集驱动和温度控 制于一体，能满足甲烷浓度检测对光源稳定性的要求。 本文首先从d f b 半导体激光器的原理分析了影响半导体激光器稳定性的诸多因素： 然后详细讨论了设计半导体激光器驱动和温控的意义和理论基础；最后设计了d f b 激光 器驱动和温度控制系统的硬件电路，编写了相应的处理和显示软件，实验表明，该驱动 和温度控制电路能够可靠工作。 在d f b 激光器驱动器的设计中，采用大规模集成芯片( m a x 3 6 6 9 ) 驱动d f b ，通过外 加元件构成了激光器的保护电路；在d f b 激光器温度控制器设计中，采用铂电阻作为温 度传感器，利用半导体致冷器( t e c i 一1 2 7 0 4 ) 作为系统执行元件( 大规模集成芯片 ( l a x l 9 6 9 ) 驱动该制冷器) 。另外，还设计了l d 温度数据采集与分析系统，该系统首 先以l o h z 的采样频率采集温度数据，然后对数据进行保存、分析及处理，得到了系统 响应波形。 关键词：分布反馈式半导体激光器，热电致冷器，激光器驱动器，激光器温度控 制器，单片机 r e s e a r c ho nt h ed r i v e ra n dt e m p e r a t u r ec o n t r o l l e rc i r c u i t so f d f bl a s e rd i o d eu s e di nt h ec o n c e n t r a t i o nd e t e c t i o no fm e t h a n e a b s t r a c t t h ec h a r a c t e r i s t i c a b s o r p t i o n o fm e t h a n ei sa l le f f e c t i v em e t h o dt om e a s l l r et h e c o n c e n t r a t i o no f m e t h a n e i nt h i sm e t h o d ，at u n a b l el a s e ri sn e e d e dt ot r a c et h ea b s o r p t i o n p e a ko fm e t h a n e ，d i s t r i b u t e df e e d b a c kl a s e ri so n eo ft h et u n a b l el a s e r s i no r d e rt om a t c h t h ew a v e l e n g t ho fl a s e rt ot h ea b s o r p t i o np e a ko fm e t h a n e ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt om a k e r e s e a r c ho nc u r r e n td r i v ea n dt e m p e r a t u r ec o n t r o lo fd f bl a s e r a tp r e s e n t , t e m p e r a t u r e c o n t r o l l e r sa n dc u r r e n td r i v e ma r em o s t l ys e p a r a t e d ，t h e i rf u n c t i o n sa r eq u i 钯p e r f e c t , b u tt h e y a r ee x p e n s i v e ，t h er a t i oo fp e r f o r m a n c et o p r i c e i sc h e a p e ri no r d e rt oi m p r o v e 哄砖i r p e r f o r m a n c ea n dr e d u c et h e i rp r i c e ，t h ed f bl a s e rd r i v ea n dt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mh a v e b e e nd e v e l o p e di nd i s s e r t a t i o n t h es t r u c t u r eo ft h es y s t e mi ss i m p l e ，t h ec u r r e n td r i v e ra n d t e m p e r a t u r ec o n t r o l l e ra r eu n i t e dt o g e t h e r t h es y s t e mc a nm e e tt h er e q u i r e m e n to fm e t h a n e c o n c e n t r a t i o nm e a s u r e m e n t b a s e d0 1 1t h ep r i n c i p l eo fd f bl a s e r t h i sp a p e rf i r s ta n a l y z e sm a n yf 如t o r sw h i c ha f f e c t t h es t a b i l i t yo fd f bl a s e r , t h e nd i s c u s s e si nd e t a i lt h es i g n i f i c a n c ea n dt h e o r e t i cb a s i so f d e s i g n i n gt h ec u r r e md r i v e ra n dt e m p e r a t u r ec o n t r o l l e rs y s t e m ；f i n a l l y , d e s i g n sc i r c u i td r i v e r a n dt e m p e m t u r ec o n t r o l l e rs y s t e mo fd f bl a s e r , c o m p i l e sc o r r e s p o n d i n gp r o c e s s i n ga n d d i s p l a ys o f t w a r e ，a n do b t a i n ss o m ee x p e r i m e n tr e s u l t s t h er e s u l t si n d i c a t et h a td r i v e ra n d t e m p e r a t u r cc o n t r o l l e rs y s t e mw o r k sr e l i a b l y i nt h ed e s i g no fd f bl a s e rd r i v e r , l s c i ( m a x 3 6 6 9 ) w a sa d o p t e d ，t h ep r o t e c t i v ec i r c u i tw a s a d d e d ；a sf o rd e s i g no ft e m p e r a t u r ec o n t r o l l e ro fd f bl a s e r , w ea d o p tp l a t i n u mt h e r m o m e t e r a st e m p e r a t u r es e n s o r , s e l e c tt h et h e r m o e l e c t r i cc o o l e r ( t e c r 一1 2 7 0 4 ) a sc o n d u c td e v i c e ( l s c i ( m a x l 9 6 9 ) c o n t r o l l e dt h et h e r m o e l e c t r i cc o o l e ri n s t r u m e n t ) ，a n da p p l yac o n t r o la l g o r i t h mo f c o m b i n i n g t h ef u z z yt h e o r yw i t hd i 舀m lp i dp a r a m e t e r ss e l f - t u n i n g ，t h es y s t e mc a l lb ea b l et o o b t a i nab e t t e rt e m p e r a t u r ee f f e c t i na d d i t i o n ，t h et e m p e r a t u r ed a t ac o l l e c t i n ga n da n a l y z i n g s y s t e mw e r ed e s i g n e d t h es y s t e ms a m p l e st e m p e r a t u r ec o n t r o ld a t aa tl o h zs a m p l i n g f r e q u e n c t h e ns a v e s ，a n a l y s e s ，a n dp r o c e s s e st h ed a t a ，f i n a l l y , g e t sr e s p o n dw a v e f o r mo f s y s t e m k e y w o r d s ：d f bl a s e r ，t h e r m o e l e c t r i cc o o l e r , l a s e rd r i v e r , l a s e rt e m p e r a t u r ec o n t r o l l e r s i n g l ec h i p 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名： i 丑略辆 日期：! 1 2 笪窆目霉旦 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包 括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件； 学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复 制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容 ( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名： 臼目毯掬。日期：! 呼垂翘兰2 旦 别瞄氰罐硝卜聃：珲趔皿 中北大学学位论文 第一章引言 1 1 半导体激光器驱动器和温度控制器的研究背景及目的意义 甲烷对特定波长激光的特征吸收是精确测量其浓度的有效方法。在该方法中，需要 使用波长可调谐的激光器，分布反馈式( d f b ) 激光器是可选光源之一。为了使分布式 激光器的波长与甲烷气体的吸收峰能够有效匹配，需要对分布式激光器的波长进行精确 调谐。由于分布式激光器的波长与温度和驱动电流有确定的依赖关系，研究分布反馈式 激光器的电流驱动和温度控制模块是非常重要的。在设计d f b 激光器的驱动器和温度控 制器之前，需要了解半导体激光器驱动器和温度控制器的电路结构及工作原理。 半导体激光器具有单色性好、相干性好、光束准直精度高、体积小、使用方便等优 点，在通信中获得了越来越广泛的应用。半导体激光器对工作条件要求苛刻，瞬态电流 或电压尖峰等许多因素都很容易损坏激光器，会造成性能的急剧恶化，电流、温度的起 伏会引起光功率的变化，影响输出的准确、稳定。驱动电流的波动，不仅会引起激光器 的激光强度噪声，还会造成输出波长光谱线宽的展宽。温度对半导体激光器二极管的参 数也有影响，主要表现在如下几个方面： ( 1 ) 温度对波长的影响。甲烷气体浓度检测中( 甲烷吸收带宽0 0 1 4 n m o 0 1 5 n m ) ， 为了准确地检测甲烷气体的浓度，必须调整激光二极管的输出波长使其与甲烷气体的吸 收峰相匹配。激光二极管的输出波长主要由其工作电流和工作温度决定。在电流恒定的 情况下，温度每丹高1 ，激光波长将增加大约0 2 o s t u n 。因此需要将温度控制在激 光器适合的温度下，并使温度起伏小于0 1 c ，这样才能使激光器输出稳定的波长。 ( 2 ) 温度对寿命的影响。正常工作时，激光二极管的热耗很大，若不能及时散热， 就会使芯片温度急剧升高，输出功率严重下降，并影响使用寿命。粗略估计，壳温每升 高3 0 ，寿命就减少一个数量级。 ( 3 ) 温度对输出功率的影响。激光二极管最大输出功率以及功率波动都与温度有 关。温度的升高将引起阈值电流增大，进一步使输出功率下降，功率波动变大。理想情 况下，半导体激光器的p - i 关系是线性曲线，温度的变化将引起激光二极管的p - i 特性 l 中北大学学位论文 曲线非线性畸变，这对于调制激光二极管不利。 总之，d f b 激光器的驱动电流和温度对激光器的性能都有影响。它的波长是i 、t 的函数，如图1 1 和1 2 所示。为了合理应用激光器，该驱动温控系统应具备以下特点： 3 1 4 图ll 电流与波长的关系图1 2 温度与波长的关系 ( 1 ) 驱动器要能对激光器提供三种驱动方式。当要求稳定激光器的工作电流时，驱 动器要提供恒流驱动方式；当要求稳定激光器的光功率时，驱动器要提供恒功率驱动方 式；当要求激光器进行脉冲输出时，驱动器要提供脉冲驱动方式。 ( 2 ) 驱动器提供的输出电流要足够稳定，因为微小的电流变化将会导致光功率输出 的变化和器件参数( 如激射波长，噪声性能，模式跳动) 的变化。 ( 3 ) 驱动器对激光器的保护措施要足够完备，因为一些电学瞬变过程，如电源的瞬 间启动、电源的电涌、a c 电路的辐射等，都会引起激光器的的性能变差，甚至损坏器件。 ( 4 ) 具有温度控制功能，使激光器工作在恒定的温度下。 论文中的半导体激光器驱动和温控系统便是按照以上要求研制的，它不仅能够为半 导体激光器提供稳定的输出，而且还对半导体激光器提供更加可靠、有效的保护。 1 2 国内外半导体激光器驱动和温度控制的现状分析 1 2 1 半导体激光器驱动器国内外的发展现状 从半导体激光器的发明和发展、集成电路和单片机的发展历史可以看出，半导体激 光器和集成电路技术基本上是随着半导体技术的发展在同时发展着，因此半导体激光器 驱动器是最先采用模拟控制方式的，纯硬件电路“。因为其电路相对简单，精度也比较 高，手动调节，在很多情况下，采用模拟控制方式仍然是一种很好的选择。但在对激光 2 中北大学学位论文 器稳定性要求较高的场合，模拟控制方式难以满足要求。基于微型计算机的数字化控制 能够更有效地解决半导体激光器工作的准确、稳定和可靠性问题。数字化、智能化也是 半导体激光器应用的必然发展方向。随着半导体激光器的广泛使用，人们采用大规模集 成电路研制出了半导体激光器的专用驱动器。特别是因为半导体激光器在光通信中的大 量使用，适合于光通信应用的半导体激光器驱动器芯片得到很大的发展，采用大规模集 成电路技术使得驱动电源的可靠性得到极大的提高。1 。 当前生产半导体激光器控制器的国外厂商主要有w a v e l e n g t h 公司、i l x l i g h t 公司、 t h o r l a b s 公司等，w a v e l e n g t h ，t h o r l a b s 公司的产品能提供连续电流，其中w a v e l e n g t h 公司的产品性能指标较高，其驱动器将恒流与恒功率驱动集成在一起，用户可以根据自 己的需要，灵活方便地选择恒流或恒功率工作方式，其主要产品有m p l 系列、p l d 系列 和l d d 系列。半导体激光器控制器的国内生产厂商主要有湖北光通公司、上海科联等公 司，目前尚无数字程控的产品，并且其产品没有将恒流和恒功率集成在一起。现列出 w a v e l e n g t h 公司的m p l 2 5 0 0 和湖北光通公司的产品主要指标进行说明“1 。表1 1 为国外 典型驱动器的功能特点和参数。 表1 1 蛐p l 2 5 0 0 和j ! d - 2 0 0 t 的产品指标 产品型号特性参数指标 输出电流范围0 2 5 a ；输出电压 6 v ；温度系数 电流 1 0 0 x1 0 勺；短期稳定度 3 0 1 0 ( 1 小时) ；长 电 输出 期稳定度 7 5 1 0 石( 2 4 小时) ；噪声和起伏 1 0 i a ； 气电流限制范围o 2 5 a 可调； 口l 2 5 0 0参 光电二极管标准范围5 0 5 0 0 0 h a ；选择范围1 5 5 0 0 h a ：最大 数反馈特性 正向电压0 2 5 v ；恒功率输出稳定度 o 0 2 ； 外部调制特 输入阻抗1 0 0 k ；带宽( 3 d b ) ；调制深度( 1 0 0 h z ) 9 0 ： 性输出电流范围0 6 0 a ；最大输出电压4 v ；控制 精度1 0 a ：噪声和起伏 i o a ； j d 2 0 0 r i 电气参数输出电流范围0 6 0 a ；最大输出电压4 v ；控制 精度1 0 m a ；噪声和起伏 1 0 m a ； 3 中北大学学位论文 1 2 2 半导体激光器温度控制器的国内外发展现状 半导体激光器工作时，其阈值电流和功率稳定性都对温度很敏感。随着温度的升高， 需要有更多的载流子注入来维持所需的粒子数反转。1 。 典型激光器在不同温度下的激光输出功率与正向工作电流关系如下： ( 1 ) 在同一温度条件下，当正向工作电流小于某一值时，激光输出功率接近于零； 而当正向工作电流超过该值时，激光的输出功率随正向工作电流的增长呈直线上升关 系，这个值被称作l d 的阈值。 ( 2 ) 阀值电流随温度的升高而升高，于是整个激光管的特性曲线基本上随温度的变 化而平行移动。因此l d 的性能受自身温度影响较大，在温度控制技术的研究中，测温 元件、控制方法和加热制冷装置的选取是关键哺”。随着技术的发展，控制方法由模拟 p i d 到数字p i d ，由模糊控制到自适应控制；控制温度的执行机构部分也由风扇、水制 冷转向半导体制冷器制冷；控温精度也在逐渐提高( 由1 到0 1 改变) 。 目前拥有激光器温度控制器产品的国外公司中，处于领先水平的除了w a v e l e n g t h 公司外，还有i x l i g h t ，t h o r l a b s ，m e s h a n e ，l i n e a r t e c h n o l o g y 等几家公司。i x l i g h t 公司的恒温控制器产品主要型号有l d 5 5 2 5 系列、l d 3 7 0 0 系列。w a v e l e n g t h 公司的恒温 控制器产品主要型号有m p t 系列、p i d 系列、h t c 系列和f p t 系列。t h o r l a b s 公司的恒 温控制器产品主要型号有t e c 2 0 0 0 系列。m c s h a n e 公司的恒温控制器产品主要型号有5 c 7 系列。l i n e r 以及a n a l o gd e v i c e s 等公司都推出了专用的热电制冷控制器芯片，如l i n e r 公司的l t c l 9 2 3 ， a n a l o gd e v i c e s 公司的a d n 8 8 3 0 和t i 公司的d r v 5 9 3 等。在这些温 度控制器中以w a v e l e n g t h 公司的f p t 系列的恒温控制器精度最高、稳定性最好， r 哪一4 0 0 0 系列输出功率最高( 达到i o o w ) ：而以i x l i g h t 公司的l d 3 7 0 0 系列功能最全面。 表1 2 为国外典型温度控制器的功能特点和参数。 4 中北大学学位论文 表1 2 国外典型温度控制器的功能特点和参数 产品型号特性参数指标 由模拟器件构成，没有与微机通讯的接口电路； 可任意选择热敏电阻、r t d 、集成温度传感器 特点a d 5 9 0 或u 3 3 5 作为温度传感器件：半导体制冷 器具有独立的限流电路，输出电流被限制到一定 范围内；采用过热保护电路，确保温度控制器失 f p t - 4 0 0 0 灵情况下半导体激光二极管的安全； 温度范围9 9 + 1 5 0 ；短期稳定度 o 0 0 2 ；长 主要技术参数 期稳定度 o 0 0 5 ：半导体制冷器的最大输出电流 4 a + 4 a ；半导体制冷器的最大输出功率2 0 w ； 由模拟器件和数字器件共同组成，可任意选择热 敏电阻、r t d ，a d 5 9 0 或l m 3 3 5 作为温度传感器； 增加g p m ，m e e _ 4 8 8 接口，实现与微机双向通讯； 通过前面板或微机界面都可以对整机进行自检、 特点自校正，增加了系统运行的可靠性；半导体制冷 器具有独立的限流电路，输出电流被限制到一定 l d 3 7 0 0范围内：一旦超过限定电流，特定的报警指示灯 点亮；采用过热保护电路，确保温控器失灵情况 下半导体激光二极管的安全； 温度范围9 9 5 0 c ；短期稳定度 o 0 4 ；长期稳 主要技术参数 定度 o o l ：半导体制冷器的最大输出电流- - 4 a + 4 a ；半导体制冷器的最大输出功率1 6 w ； h t c 特点温度控制范围：6 0 一1 1 4 ；短期温度稳定度： 0 0 0 1 ；长期温度稳定度：0 0 0 3 ； 田t 特点温度控制范围：- 9 9 1 5 0 0 c ；短期稳定度： o 0 0 5 ；长期稳定度： 。 监控端i t e c 电压与t e c 电流的关系为：犯= 1 5 v + 8 x ( 一珞) ( 3 1 3 ) 3 2 7l d 温度控制系统与激光器的硬件连接电路 激光器与驱动电路的连接分为直接耦合和交流耦合两种“，直接耦合是最简单的连 接方式，但是当供电电源的电压降到3 3 v 时，驱动器的连接头不能够较快的的转换。 为了解决这个问题，采用的交流耦合如图3 9 所示。 + 3 3 v 图3 9 半导体激光器驱动器与激光器的连接 3 2 8 电源产生电路 电源设计是电路设计很重要的环节，电源的稳定与否影响到电路是的稳定工作。系 统需要2 5 v 的基准电压和+ 5 v 、- 5 v 、+ 1 2 v 、- 1 2 v 的电源。 + 5 v 、一5 v 、+ 1 2 v 、一1 2 v 的电源电源电路由变压器、整流桥、三端稳压块和滤波电容 等构成。本文采用三端稳压块l m 7 8 0 5 、l m 7 9 0 5 、1 3 1 7 8 1 2 和l m 7 9 1 2 分别实现。电路如图 中北大学学位论文 3 1 0 所示。 图3 1 0 直流电压产生电路 2 2 0 v 的交流电源通过2 2 0 v 1 2 v i o w 双向输出变压器得到1 2 v 的交流电压，再通过 2 a 6 0 v 的整流桥( k b p c 5 0 0 6 ) ，将交流电压转换成直流电压，该电压再分别通过l m 7 8 0 0 系列三端稳压模块得到系统要求的稳压电源。l m 7 8 0 0 系列三端稳压模块的输出最大电流 l5 a ，电压稳定误差为量程的2 9 6 ，可以提供稳定的直流电压。外部电容起滤波作用， 其中l m 7 8 1 2 输出的电压为+ 1 2 v ，l m 7 9 1 2 输出的电压为一1 2 v ，l m 7 8 0 5 输出的电压为+ s v ， l m 7 9 0 5 输出的电压为一5 v 。 另外，为了可靠地抵抗电网浪涌，我们采用了双重过电压保护，噪声滤波的流供电 方式。如图3 1 0 所示，置为4 7 0 v l k h 电压敏感电阻，一旦电网电压出现高于4 7 0 v ( 峰 值) 的浪涌时，它立即呈短路状态使浪涌被吸收，从而在电源变压器初级难以形成更高 的峰值电压。r ：为2 7 v o 5 k a 电压敏感电阻，使峰值超过2 7 v 的浪涌被吸收。n f 为市 售的通用噪声滤波器n f 2 0 0 a ，它对超快速的脉冲干扰可以起良好的吸收作用。 基准电压是为整个恒温控制器提供一个精确、稳定的温度信号，该信号的稳定与否 对恒温控制器的温度控制精度产生很大的影响。如果要获得电源电压以内的任意电压 值，可以增加一个运算放大器作同相放大，如图3 1 l 所示。在l m 3 9 9 输出端并联一个 电位器，通过调节电位器滑臂的位置，就可以获得0 7 v 范围内的任意电压值，其中， 中北大学学位论文 r f 、r i 应选用温度系数低的金属膜电阻。另外，为了迸一步改善v 0 的温度稳定性，运算 放大器采用高精度、低漂移的放大器i c l 7 6 5 0 。 图3 i i 基准电压产生电路 从上图3 l l 可以看出：= 7 x ( 1 + 哆) ，显然通过设置艮和r t 的阻值可得到任 意的基准电压值。 中北大学学位论文 第四章温度控制系统的软件实现 4 1 软件设计总体框图 前面研究了半导体激光器驱动和温度控制系统的硬件电路，要使温度控制系统能够 工作，还需要与之配套的软件。本章主要介绍软件温度控制的软件设计方法。 软件设计部分主要包括两大模块，一是温度设置和实际温度的采集模块；二是温度 显示模块。温度设置和实际温度的采集模块的整体流程图如图4 1 所示。包括a d 转换子 程序、温度传感器的采集子程序，温度传感器与单片机的通信子程序、外部中断0 的中 断服务程序。温度显示模块显示实际温度和设置温度的程序。 图4 i 半导体激光器驱动和温控的软件总体框图 温度采集和显示模块的工作过程是：首先单片机系统初始化，包括各内部寄存器清 零、a d 芯片的地址、d s l 8 8 2 0 芯片的地址、允许外部中断等。然后等待温度显示选择， 如果是显示设置温度，则启动a d 转化采集测试到的温度设置与之对应的电压信号，并 存储a d 转换后的结果，将结果取均值后查找得到该值对应下的温度值，从而完成温度设 置值的读取和显示。如果“温度显示选择”显示实际温度，则启动温度传感器d s l 8 8 2 0 ， 通过温度传感器采集外部实际温度，与单片机进行通信，完成实际温度的读取和显示。 3 2 中北大学学位论文 4 2 温度预置值的采集 本系统的初始温度值是通过调节可变电阻的阻值来设定的。设定过程如下：通过外 接电路将一定温度对应的电阻值转换为对应的电压值，通过a d 转换后输入单片机，再 根据热敏电阻的温度与电阻的对应关系，计算出对应的设置温度，通过数码管显示。图 4 2 为预置温度值的采集软件实现流程图。 初始化a d 0 8 0 9 开i n t l 0 i 启动a d 转换i 眵 n j ， 算5 次a d 采集结果的平均值 i 查找对应的温度值并存储 图4 2 温度采集予程序 图4 3 温度采集中断子程序 单片机系统的p 2 7 和w r 信号同时有效时，启动a i d 转换。当a d 转换结束后声 生中断信号，引起外部中断l 中断。外部中断1 的中断子程序流程图如图4 3 所示。该 中断子程序主要完成的任务有：读取每次a d 转换的结果、判断5 次采样完成否，未完 成时，接着启动下一次的a d 转换。最后，中断返回。p 2 7 和r d 信号同时有效时，允 许读操作。将温度信号值读入单片机的内存中。标志位2 0 i - i 0 用来判断5 次a d 采集是 否完成，当2 0 h 0 = 1 时，表明5 次温度值采集完成，取均值后，查找对应的实际温度值 并存入单片机指定寄存器中。当2 0 h 0 = 0 时，一直等待，直到2 0 h 0 = 1 结束温度采集【4 2 】。 4 3 实际温度值的采集 实际温度采集系统程序分传感器控制程序和与单片机的通信程序两部分，传感器控 制程序是按照d s l 8 8 2 0 的通信协议编制。系统的工作是在程序控制下，完成对传感器的 3 3 中北大学学位论文 读写。下图4 4 和4 5 分别为d s l 8 8 2 0 的工作流程图和启动温度转换及读温度值的流程 图。 复位脉冲 上 读一个脉冲 i 发s k i p 蚤o m 命令 发w r i t es c r a , t c h i a d 命令 写t h ，t l 和c o n f i g 的值 上 复位脉冲 上 读一个脉冲 上 发s k i p r o m 命令 上 l 发雕执ds c 眦命令 上 复位脉冲 上 读一个脉冲 1 l 发s k i p r o m 命令 上 发c o p ys c r a t c h p a d 命令 i 复位脉冲 上 读一个脉冲 图4 4d s l 8 8 2 0 的工作流程图图4 5 启动温度转换及读温度值流程图 3 4 中北大学学位论文 d s l 8 8 2 0 的一线工作协议流程是：初始化一r o m 操作指令一存储器操作指令一 数据传输。其工作时序包括初始化时序、写时序和读时序，所有时序都是将主机作为主 设备，单总线器件作为从设备。而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序 开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接 收。数据和命令的传输都是低位在先。实际温度采集的流程图如图4 6 。 4 4 显示子程 图4 6 实际温度采集软件流程图 l e d 动态显示接口电路如图4 7 所示。位选码占用输出口的线数决定于显示器位数， m c l 4 1 3 是反向驱动器，这是因为p 2 口正逻辑输出的位控与共阴极l e d 要求的低屯平 点亮正好相反，即当p 2 口位控制线输出高电平时，点亮一位l e d 。7 4 l s 2 4 4 是同向驱 动器，作为段选码驱动器。 逐位轮流点亮各个l e d ，每一位保持l m s ，在1 0 m s - 2 0 m s 之内再一次点亮，重复 循环，这样，利用人的视觉暂留，4 位l e d 同时点亮。 在主程序中指定显示缓冲区的地址。l e d 采用动态显示软件译码。扫描显示子程序 3 5 中北大学学位论文 的流程图如图4 7 所示。 图4 7 d i s 显示子程序流程图 3 6 中北大学学位论文 第五章部分实验及数据分析 经过前述对驱动器单元电路的理论分析与设计，从理论上验证了应用负反馈原理可 以对激光器进行恒流驱动；安全保护电路中可实现对输入端的限流控制，而且为了防止 过大电流对驱动器产生的冲击，把软启动延迟电路应用到驱动器中。但是在实际应用中 元件参数选择、变化、环境温度、输入电压变化等等诸多因素能均对电路性能产生影响， 驱动和温控器能否正常工作还需要通过实验验证。因此我们对这几种单元电路进行实 验，检测各种因素对电路输出性能的影响。 5 1 部分实验数据 前面我们己经对半导体激光器驱动与温控系统的原理进行了理论上的公式推导与 计算，下面对该系统进行实验分析。各个参数值的选择如下“删： 确定输出偏置电流， 和调制电流，脚。在温度恒定为2 3 ，b m = 3 5 m a 和 f d = 2 0 m a 时，激光器的输出波长1 6 5 1 n i n ，这个波长正好是甲烷气体的吸收峰。 确定偏置电流和调制电流的监控电阻r 。脚。，和r 枷蝴。 r 兽塑，r 脚# 堡，i s u s 范围是1 w , a 8 0 m a ，脚的范围是5 m a i 目m o nl m o d m a x 7 5 m a 我们选择r “计= 1 x q 和r 枷n = 1 k f a 确定r 删。参照m a ) ( 3 6 6 9 特性曲线可知：在r 删= 6 2 k q 时，s = 3 5 m a 。 确定月删。参照m a x 3 6 6 9 特性曲线可知：在r m b 脚= 8 意q 时，加d = 2 0 m a 。 确定输出温度。t = 2 3 c ，因为当，s ；3 5 m a 、，m = 2 0 m a 和t = 2 3 c 时，激光器 的输出波长为1 6 5 1 r i m ，这个波长正好是甲烷气体的吸收峰。 设置双极性t e c 最大的工作电压、最大的正向工作t e c 电流、最大的负向t e c _ t _ 作 电流。由公式( 3 1 ) ( 3 6 ) 可知： 3 7 中北大学学位论文 = 4 ( 矿) = 4 x 若蠹 ( 5 1 ) 。一一吾v m a , , n ：一誓r 5 。， k。洲：+矗vmaup：+誓vree r 5 。， 其中，在式( 5 1 ) 、( 5 2 ) 和( 5 3 ) 中，= 1 5 v ，r 口= 0 0 5 f 2 ，r 2 到垦之间 r 2 = 1 0 0 kr ，= 5 0 kr 4 = 1 0 0 kr 5 = 1 0 0 k 作电流为1 5 a 时，满足甲烷浓度检测的基本要求。半导体激光器温度控制系统的实验如 表5 1 半导体激光器温度误差实验结果 温度设定值 c温度采样值 误差 c o o 1 2o 1 2 5 o5 1 3 o 1 3 1 0 01 0 1 5 o 1 5 1 5 01 5 1 3o 1 3 2 0 o2 0 1 2o 1 2 2 5 o2 5 t 4 0 1 4 3 0 o3 0 1 5 o 1 5 3 5 o3 5 1 2 o 1 2 4 0 04 0 1 3 o 1 3 4 5 04 5 1 50 1 5 5 0 o5 0 1 8o 1 8 3 8 中北大学学位论文 该实验中，温度从o c 逐步升至5 0 c 。每隔5 测试一次实际的温度数据，然后重复 l o 次取平均值，测试环境为2 5 ，表给出了温度控制的精度实验。从表5 1 可以看出，温 度控制器在0 5 0 范围内，控温的最大误差为0 1 8 ，小于0 2 c ，基本满足设计要求。 另外，我们还对半导体温度控制器的稳定性进行了测试，设定半导体温度控制器在 驱动电流恒定为3 0 m a 时，温度为2 3 持续工作1 0 0 分钟，中间每隔5 分钟对温度进行一次 测试，由于半导体测温元件的分辨率不能满足要求，所以我们根据公式根据式( 3 1 ) 和图 3 2 将温度转化为热敏电阻电压值：k 脚= = 蟛塑用这 r ，+ e 。中亩 1 0 + e 3 ”亭- 去 样倒推的方法来获得温度稳定性。表5 2 是温度稳定度性实验结果。 表5 2 温度控制器稳定性实验结果 时间r a i n 电压v温度 c lo 9 0 l1 8 0 4 2 1 0 2 2 1 2 0 5 3 0 8 1 82 0 0 8 4 0 6 6 72 5 2 4 5 0 7 5 32 5 0 8 6 0 7 1 42 2 8 9 7 0 7 0 82 2 9 2 8 0 7 1 32 2 8 8 9 0 7 6 82 3 0 6 1 0 0 7 6 5 2 3 1 4 2 0 0 7 1 42 2 8 9 3 0 0 7 6 82 2 9 3 4 0 0 7 6 5 2 3 1 2 5 0 0 7 6 52 3 0 6 从表5 2 中可以看出，系统大约在l o 分钟达到基本稳定，达到稳定后的最高温度为 2 3 1 4 c ，最低温度为2 2 8 9 。c ，温度最大浮动0 2 5 。c ，满足设计要求。图5 1 是根据表 5 4 绘制的温度稳定度曲线。 3 9 中北大学学位论文 1 75j ， ， ， _ 5 2 实验存在误差原因 图5 1 温度稳定性曲线 t 度时匍协血1 0 a 影响驱动器输出电流稳定度的主要因数是所用电压基准的稳定度和采样电阻的温 度系数，如选用稳定度更高的电压基准及温度系数更小的取样电阻，可进一步提高驱动 器输出电流的稳定度1 。此外，要保证激光器的可靠工作，还要注意解决系统的接地问 题，如激光管接地的隔离，并应根据噪声特点采取一些相应措施。另外好要屏蔽外部高 频电磁辐射干扰。 图5 1 中显示了t e c 控制器打开后的时间与温度的函数关系，对于这个实验，设 置温度是2 3 ，从图中可以看出在设置值与温度控制电路输出温度值之间存在0 5 的偏 差，这是由于在实际中电路参数选择与实际标值之间的误差产生的。另外，达到稳定状 态所用的时间是很长的，大约是1 0 分钟，这主要是因为所用的半导体制冷器t e c 是小 功率的“。从上面的实验结果可以看出，本文设计的半导体激光器驱动和温度控制系统 能够被用来稳定激光器的输出，能够在甲烷气体浓度检测中得到广泛的应用。 越 西 卸 蝇 p l 君a 1 中北大学学位论文 第六章结论与展望 本文以d f b 型半导体激光器为主要研究对象，首先从d f b 半导体激光器的原理分析 了影响半导体激光器稳定性的诸多因素，介绍了它的驱动器和温度控制器的国内外现 状，然后详细讨论了设计半导体激光器驱动和温控的意义和目的，最后设计了d f b 激光 器驱动和温度控制系统的硬件电路，编写了相应的处理和显示软件。通过实验，分别对 半导体激光器驱动器的输出特性、温控系统的输出特性和稳定性进行了分析，得出结论： 本文设计的半导体激光器驱动和温控系统能够有效地驱动激光器和稳定输出，基本满足 甲烷浓度测量的要求。另外，由于种种原因，一些问题有待于进一步研究： ( 1 ) d f b 激光器驱动和温度控制系统的精度和稳定性还不够，有待进一步的提高。 ( 2 ) 电流驱动实验未应用在d f b 激光器上，原因是对本论文设计的半导体激光器驱 动和温控系统的各种参数未进行有效的评估，担心损坏激光器，所以有待进一步分析电 路的各种参数，保证激光器的安全使用。 ( 3 ) 在温度控制中，控制算法的研究，还需进一步完善。 ( 4 ) 在系统设计理论上得到肯定以后，可以通过仿真软件对起各个单元模块的性能 参数进行仿真，这样可以缩短设计周期，方便的调整实验参数，通过软件完成对所设计 的电路进行检测，提供硬件电路实验所需要的数据。然后再运用到硬件电路实验中。 4 1 中北大学学位论