（检测技术与自动化装置专业论文）具有防止过流误判断功能的ld驱动电源的研制.pdf

摘要 摘要 随着光电了技术的迅速发展，半导体激光器( l d ) 已经越来越广泛地应用于 通信、军事、国防、科研、医疗等领域。在l d 的应用中，保证其工作的安全性、 连续性是非常重要的。传统半导体激光器驱动电源的过流保护功能比较单一，由 于过流保护设计的不完善，导致激光器在使用过程中出现过流误判断或被损坏的 情况时有发生，甚至造成工作延误和不必要的经济损失。 本文介绍一种具有防止过流误判断功能的l d 驱动电源，该电源通过采用越限 计数的方法实现过流保护，有效地消除了宽幅大脉冲电流干扰，具有防止过流误 判断和失效保护的功能，从而保证l d 工作的连续性、可靠性。该驱动电源可由两 种电路形式实现：一种是通过单片机和现场可编程逻辑器件( f p g a ) 来完成，它 主要包括模拟部分和数字部分，模拟部分主要包括对l d 的恒流驱动、工作参数的 采集、键盘输入和过流报警部分，数字部分主要包括单片机对f p g a 的程序配置、 单片机接收f p g a 的数据并进行相应的运算处理、单片机对外围设备的驱动、单 片机对外围d 和d a 转换器的控制四个模块。该电路由软件替代部分硬件执行 功能，不仅节省了硬件费用，而且保障了电路的稳定性，避免硬件电路因环境影 响而产生的参数变化，同时，利用软件的灵活性和可修改性，提高了系统的智能 化。另一种是由纯硬件电路实现，l d 工作参数的采集、数据的运算与比较、对 l d 的控制，全部由硬件电路来完成，既保证了l d 的恒功率驱动，又实现了对l d 的过流保护功能，基本符合设计的要求。 研究内容主要有以下几点： 1 介绍了半导体激光器的工作原理、结构和输出特性，分析了半导体激光器 对驱动电源的基本要求，简要说明了半导体激光器常用的驱动技术与保护措施。 2 根据半导体激光器在连续工作方式下对驱动电源的要求，结合本设计的设 计思想，确定了系统的整体电路结构，并阐述了总体设计的工作原理。 塑堕叁堂丝型垫查：! 鱼垫垡茎墨皇些! 塑! 丝堡：生堂垡堡奎一 3 对本设计中所用到的智能微处理器( 单片机、f p g a 器件) 进行了介绍， 分析了它们的工作原理，并对它们在电路中的功能进行深入的分析和探讨，并介 绍了它们与外电路的连接关系。 4 对各个功能模块的硬件电路原理进行了介绍、分析，并给出相应的理论推 导。着重分析了半导体激光器的电流驱动电路、工作参数采集电路，还介绍了半 导体激光器的工作温度控制装置。 5 对测试得到的实验数据进行分析，并得出结论。 6 提出本设计纯硬件电路的实现方法，并根据电路原理图进行详细的分析、 说明。 关键词：半导体激光器；驱动电源；过流保护 l i a b s 仃a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fp h o t o e l e c 仃o nt e c h n o l o g y ，t h es e m i c o n d u c t o rl a s e r ( l d ) h a sb e e nu s e dw i d e l yi nt h ef i e l d so fc o m m u n i c a t i o n ，m i l i t a r ya f j f a i r s ，n a t i o n a l d e f e n s e ，s c i e n t 讯cr e s e a r c h ，m e d i c a l 订e 锄e n t 锄ds oo n ni sv e 巧i m p o r t a n tt oe n s u r e t h a tt h el dc o u l dw o r ks a f e l ya n dc o n t i n u o u s l y t h em n c t i o no fo v e r - c u r r e n tp r o t e c t i o n f o rt r a d i t i o n a ll dd r i v e ri ss i m p l e b e c a u s eo fi m p e r f e c to v e r - c u l l r e n tp r o t e c t i o n ，i t h a p p e n st ow r o n gj u d g m e n tf o ro v e r - c u r r e n to rd a m a g et ol d w h e nl di su s e d ，w h a ti s m o r e ，w h i c hc a l lb r i n g0 nd e l a yo fw o r ka n d 蚰w a n t e de c o n o m i cl o s s al d “v e rw i t ht h ef u n c t i o no fa v o i d i n gw r o n gj u d g m e n tf o ro v e r - c u r r e n ti s i n t r o d u c e di i lt h i sp 印e r w h i c hc 锄c o m et n l ei n 觚ow a y s ： o n ew a yi sa c h i e v e db y m i c r o p r o c e s s o r 锄df i e l dp r o 铲锄m a b l eg a t ea r r a y ( f p g a ) ，锄di tm a i n l yi n c l u d e s a n a l o g i c a la n dd i g i t a l c i r c u i t s a n a l o g i c a lc i r c u i t sc o n s i s to fd r i v i n gl di nv a r i a b l y ， s 锄p l i n gp a r a j n e t e r so fl d ，k e y b o a r di n p u ta n d e n d - o f - l i f ea l 姗d i g i t a lc i r c u i t s c o n s i s to fc o n f i g u m t i o nf p g ab ym i c r o p r o c e s s o r ，r e c e i v i l l gd a t a1 j r o mf p g a 锄d o p e r a t i n g0 rd e a l i n gw i t hd a t a ，埘v i n go u t e r c i r c u i t sb ym i c r o p r o c e s s o r ，c o n t r o l l i n gd a a n da dc o n v e r t e r sb yf p g a i i l s t e a do fp a n i a lh 删w a r e 向n c t i o n sb ys o 脚a r e ，i l lt h i s w a y ，i tn o to n l ys a v e sh a r d w a r ee x p e n s e ，b u ta l s os t a b i l i z e st h ew h o l ec i r c u i t ，鲫d a v o i d s p a r a m e t e r s v a r i a t i o no fh a r d w a r ec i r c u i t sb e c a u s eo fe n v i r o n m e n te 廊c t ， m e a n w h i l e ，i m p r o v e st h ei 1 1 t e l l i g e n c e 锄dc o n n o l l a b i l i t yt a k i n ga d v a n t a g eo ff l e x i b i l i 够 a n d 锄e n d m e n to ft h es o f h a r e t h eo t h e rw a yi sa c h i e v e db ya l lt h eh a r d w a r e c i r c u i t s a l lt h e 向n c t i o nm o d u l e s ，s u c ha sc o l l e c t i n gw o r kp a r 锄e t e r so fu ) ，o p e r a t i n g a n dc o m p a r i n gd a t a ，c o n 廿o l l i n gl d ，c o m e 仇l eb yh a r d w a r e i i lt h i sw a y ，t h es c h e m e w h i c hn o to n l yc 锄嘶v el du 1 1 d e rt h ew a yo fi n v a r i a b l ep o w e r ，b u ta l s o d e t e c t l o n g e v i t yo fl d 锄dp r o t e c ti t ，m e e t sd e s i g na i m s t h em a i nc o n t e n t so ft h et h e s i sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h eo p e r a t i o np r i n c i p l e ，s 仃c t u r ea i l do u t p m c h a r a c t e r i s t i c so fl da r ei n t r o d u c e d ， i i i 河南人学检测技术j 自动化装置专业2 0 0 7 级硕士学位论文 锄dt h ed r i v i n gs o u r c er e q u i r e m e n to fl di sd i s c u s s e d ，a n dt h ed r i v i n gt e c h n o l o g y 锄d d r i v i n gr e a l i z a t i o no fl d a r en o t e ds i n l p l y ( 2 ) n e0 v e r a ns t m c t u r eo ft h ec i r c u i to ft h ed e s i 印i ss e tu p ，a n dt h eo p e r a t i o n p r i n c i p l eo ft l l ed e s i 踮i se l a b o r a t e da c c o r d i n gt ot h ed r i v i n gr e q u i r e m e n to fl di n c o n t i n u o u sw a y ，t o g e t h e rw i t hd e s i g ni d e a so ft l l es y s t e m ( 3 ) i n t e l l i g e n tc o n 仃o l l e r su s e ds u c ha sm i c r o p r o c e s s o r ，f p g aa r ei n t r o d u c e d ，a i l d t h e i r o p e r a t i o np r i n c i p l e s a r ea n a l y z e d ，锄dt h e i rr o l e si nc i r c u i t sa r ea n a l y z e da 1 1 d d i s c u s s e di nd e t a i l s w h a ti sm o r e ，t h ec o m e c t i o nb e 似e e nw i 廿1t h em t e l l i g e n t c o n t r o l l e r sa n de x t e m a lc i r c u i t si si n t r o d u c e d ( 4 ) c i r c u i tp r i n c i p l e so f v a r i o u sf 呖c t i o n a lm o d u l e si nh a r d w a r ea r ei n 仃o d u c e d ， 锄a l y z e d ，a 1 1 dc o r r e s p o n d i n gt h e o r e t i c a ld e r i v a t i o n s a r es h o w n t h ec i r c u i t sa b o u t c u 丌e n t “v i n go fl da n dc o l l e c t i n gp a r 锄e t e r so fl da r ea n a l y z e de m p h a t i c a l l y ，a n d t h ed e v i c eo f t e m p e “抛i i ec o n 仃d lo f l di si n t r o d u c e d ( 5 ) t h ee x p e r i m e n td a t a6 0 mt e s t si sa n a l y z e d ，a n dr e l a t e dc o n c l u s i o n sa r ed r a w n ( 6 ) r e a l i z a t i o nw a yo f 如uh a r d w a r ec i r c u i t si sp u tu p ，t h es c h e m ei sa n a l y z e d 孤d n o t e di nd e t a i l sa c c o r d i n gt oc o l t e s p o n d i n gp r i n c i p l ed i a 伊n s k e yw o r d s ： s e m i c o n d u c t o rl a s e r ； d r i v i n gs o u r c e ； o v e r - c u 仃i e l l tp r o t e c t i o n i v 关于学位论文独立完成和内容创新的声明 本人向河南大学提出硕士学住申请。本人郑重声明：所呈交的学位论文是 本人在导师的指导下独立完成的，对所研究的课题有新的见解。据我所知，除 文中特别加以说明、标注和致谢的地方外，论文中不包括其他人已经友表或撰 写过的研究成果，也不包括其他人为获得任何教育、科研机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位中请人( 学位论文作者) 釜名：至查!d 醴 2 0i d 年6 月f 6 日 关于学位论文著作权使用授权书 本人经河南大学审核批准授予硕士学位。作为学位论文的作者，本人完全 了解并同意河南大学有关保留、使用学位论文的要求，即河南大学有权向国家 图书馆、科研信息机构、数据收集机构和本校图书馆等提供学位论文( 纸质文 本和电子文本) 以供公众检索、查阅。本人授权河南大学出于宣扬、展览学校 学术发展和进行学术交流等目的。可以采取影印、缩印、扫描和拷贝等复制手 段保存、汇编学位论文( 纸质文本和电子文本) 。 ( 涉及保密内睿的学位论文在解密后适用本授权书) 学住获得者( 学位论文作者) 签名：墨! 圭18 趋 2 0j d 年6 月6 目 学位论文指导教师釜名：垄至雌 2 0l d 年月“日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 半导体激光器简介 光电子技术作为当今高新技术的重要组成部分，对国民经济建设的发展起到 了举足轻重的作用。随着光电予技术的快速发展，半导体激光器作为一种重要的 光电子器件，已被广泛应用于光盘发送、激光印刷、条码扫描、光纤通信、光传 感、医疗等诸多领域，被认为是2 0 世纪最伟大的发明之一。 半导体激光器( s e m i c o n d u c t o rl a s e rd i o d e ) 是以半导体为工作物质的一类激 光器，也被称为激光二极管( l d ) 或注入型激光器，使用的工作物质主要有i i i v 族化合物半导体( 如g a a s ) 、i i 族化合物半导体( 如c d s ) 和i i i 族化合物半 导体( 如p b s n t e ) 。半导体激光器的发光波长范围为o 3 3 岬( 紫外) 3 4 岬( 远 红外) ，输出光可以是连续( c w ) 、准连续( q c w ) 和脉冲( n l l s e ) 形式。 按泵浦方式的不同，半导体激光器可以分为注入式激光器、光泵激光器和电 了束泵浦激光器【l 】。其中，注入式激光器由于比较容易发生受激辐射，并且结构紧 凑，使用起来方便，加工工艺也简单成熟，此外，注入式半导体激光器的电源结 构简单，可以通过改变注入电流的方式直接调制输出，因此成为目前最为广泛使 用的一种半导体激光器。 在实际使用中，半导体激光器容易受到微小电流和温度变化的影响，从而导 致半导体激光器输出功率的不稳定。光源的稳定性不但对仪器的精度有影响，也 影响着测量的精度。目前，提高激光器性能的途径主要有两个：一是应用新的半 导体技术来提高激光器器件本身的性能指标；二是提高激光器驱动电源的性能。 通过加强限制半导体激光器中载流子和光予的数目，可以有效降低阈值电流，同 时对材料生长工艺进行改进，可以改善半导体激光器的性能。由于半导体激光器 是通过注入电流方式工作的，故驱动电流的稳定性对激光的输出存在直接影响， 此外，激光器属于温敏元件，其输出功率受到温度变化的影响。因此，消除电流 和温度变化对激光器造成的影响也是改善半导体激光器性能的一个重要途径。 河南人学检测技术j 自动化装置擘业2 0 0 7 级硕叶：学位论文 1 1 1 半导体激光器的优点 与其它类型的激光器相比，半导体激光器作为光电子学中最重要的器件之一， 具有如下优良的特性【2 】： ( 1 ) 转换效率高。半导体激光器作为直接的电子一光子转换器，理论上，它 的内量了效率可接近l o o ，但实际上由于某些非辐射复合损失的存在，其内量子 效率要低很多，但仍然可以达到7 0 以上。 ( 2 ) 可高速直接调制。具有高速的直接调制能力是半导体激光器不同于其它 激光器的一个重要特点，也正是凭借此优点得到了广泛应用。 ( 3 ) 器件尺寸小、可靠性好。半导体激光器具有体积小、重量轻等优点，价 格也比较便宜，而且所需驱动电压比较低，工作时安全性好，这些优点是其它类 型的激光器所无法比拟的。 ( 4 ) 具有较宽范围波长选择性。通过选择不同的半导体激光器有源材料或者 改变多元化合物半导体各组元的组成成分，可以获得宽广范围的激射波长来满足 不同需求。 ( 5 ) 使用寿命长。以常用的g a a s 激光器为例，其波长在室温和热力学温度 7 7 k 下分别为9 0 0 0 r l l i l 和8 4 0 0 n m ，器件工作寿命可达几十万小时，甚至高达几百 万小时，效率已超过2 0 。 1 1 2 半导体激光器的发展历史 2 0 世纪6 0 年代初，世界上第一台g a a s 同质结半导体激光器诞生于美国，从 此揭开了半导体激光器的发展史。半导体激光器的主要发展状况如表1 1 所示。 2 第一章绪论 表1 1 半导体激光器的发展历史 时间半导体激光器发展状况 1 9 6 2 年 g a a s 同质结半导体激光器在美国诞生，只能在液氮温度下脉冲工作，证实了半 导体激光器的基本理论 1 9 6 7 年 用液相外延法制成单异质结激光器，实现了在室温下脉冲t 作的半导体激光器 1 9 7 0 年 美国贝尔实验窒研制成了双异质结半导体激光器，实现了室温连续i ：作 1 9 7 8 年 实现半导体量子阱激光器( q w l ) ，大幅度地提高了半导体激光器的各种性能 2 0 世纪 大功率半导体激光器迅速发展，阵列激光器出现 8 0 年代初 2 0 世纪末 面发射激光器和垂直腔面发射激光器得到飞速发展，实现了在室温下连续j r 作 早在1 9 6 1 年，苏联列别捷夫物理研究所的巴索夫( n g b a s o v ) 提出了在半 导体内能够产生受激辐射的观点。1 9 6 2 年，g e 公司的r n h a l i 利用扩散技术在 g 执s 内形成p n 结，将垂直于结平面的两个平行的端面抛光形成法布里一珀罗谐振 腔，获得了在低温下脉冲工作的g a a s 同质结构激光器，首次看到了p n 结j f 向偏置 的相干光发射【3 】。由于同质结构激光器的受激发射阈值电流密度特别高，通常为 5 1 0 4 c m 2 1 x 1 0 5 c m 2 ，因此只能在窄脉冲( 脉宽冬1 “s ，占空比 f i f oc：j 图4 - 7 单片机与f p g a 连接框图 上述各功能模块中的d a 转换器和a d 转换器由f p g a 全局时钟产生的脉冲 信号对进行触发。经过消抖动处理后由键盘输入的参数存放在单片机的设置寄存 器中，当有按键操作时，标志寄存器f n t w 的相应位置“1 ，并将设置寄存器的 内容送至显示译码，以显示当前的设定电流值，并将f n t w 的相应位清零，且设 定显示寄存器内容不变，直到检测到f n t w 相应位变高。 f p g a 器件每间隔1 m s 对半导体激光器的驱动电流、p d 管监测电流和温度数 据进行一次采样，并将d 转换器启动标志s t a r t 置“1 ”。当f p g a 器件接收 第p q 币馊件电路的设计与实现 到来自d 转换器件的结束标志时，一方面将采样数据存入p a r a n t w 7 ：0 】寄 存器，经过数据转换后，送入参数显示寄存器进行显示；另一方面将采样的监测 电流值与对应的驱动电流值进行转换比较，将比较输出数据送入输出寄存器进行 输出控制。 4 4 4f p g a 与d a 转化器的接口电路 d a 转换器是一种能将数字信号转换成模拟信号的装置。目前常见的d a 转 换器包括倒t 形电阻网络d a 转换器，权电阻网络d a 转换器，权电流型d a 转 换器以及开关树型d a 转换器等几种类型【1 4 】。本论文选用倒t 型r 2 r 电阻网络 d a 转换器d a c 0 8 3 2 。 d a c 0 8 3 2 是8 位分辨率的d a 转换集成芯片，采用c m o s s i c r 工艺，与微 处理器完全兼容。该芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单 片机应用系统中得到广泛应用。d a 转换器由8 位输入锁存器、8 位d a c 寄存器、 8 位d a 转换电路及转换控制电路构成 15 1 。d a c 0 8 3 2 中有两级锁存器，第一级为 输入寄存器，第二级为d a c 寄存器，可以工作在双缓冲方式下。 d a c 0 8 3 2 是8 位的d a 转换器，其转换周期为l p s 。锯齿波形数据可以由每 点数据长度为8 位的2 5 6 个点构成。由于f p g a 的系统时钟为5 0 m h z ，可对其进 行6 4 分频处理，得到频率为7 6 2 9 h z 的锯齿波。d a c 0 8 3 2 输出控制时序图如图 4 8 所示。 1 嚣 堍 i i 桶 撬 辘k o 嘲陡撑皇 魄 图4 8d a c 0 8 3 2 输出控制时序图 4 7 塑塑叁堂坌塑丝查! 垒垫些茎重皇些! 塑! 丝堡：! ：堂篁笙奎 f p g a 与d a c 0 8 3 2 接口电路原理图如图4 9 所示。f p g ai o l 8 向d a c 0 8 3 2 的数据输入口d 1 0 d 1 7 传输数据。f p g a1 0 9 向d a c 0 8 3 2 提供高电平有效的数据 锁存允许控制信号i l e 。f p g ai o l 0 向d a c 0 8 3 2 提供控制信号，包括片选信号 c s 、数据传输控制信号x f e r 、d a c 寄存器写选通信号w r l 、w r 2 ，低电平有效。 由于d a c 0 8 3 2 属于电流输出型，1 0 u t l 、l o u 也、r f b 与运算放大器l m 3 2 4 完成电 流电压转换。 v c r 输出 图4 9f p g a 与d a c 0 8 3 2 接口电路原理图 4 5 温控单元的分析和设计 前面我们已经简单介绍了温度对半导体激光器的影响，这里做一具体分析。 半导体激光器是一个热功率器件，随着工作时间的增加，温度会不断升高，同时， 半导体激光器也是一个温敏元件，温度变化对激光器的输出和寿命有着很大的影 响1 6 - 1 9 1 ，半导体激光器的温度每升高2 5 ，激光器的使用寿命就会减小一个数量 级。 4 5 1 温度对半导体激光器的影响 若半导体激光器工作在连续状态，激光器内部会不断积累热量。设激光器的 热耗散功率为尸，当激光器工作在连续电流状态时，则有尸= 舻，其中队，分别 为半导体激光器两端的工作电压和通过激光器的工作电流。热耗散功率所引起的 4 8 第四章硬件电路的设计j 实现 激光器的温升与激光器的热阻成j f 比，热阻j r 为： 一一 r ：y j + r s 于 其中，为半导体激光器的工作电流密度，s 为结区面积，为激光器的串联 电阻。由此可见，半导体激光器的热阻与结区面积、激光器工作电流密度以及所 使用的热沉、激光器与热沉的接触情况等有关。其实，热沉( h e a ts i l l l ( ) 就是一种 散热片，与半导体激光器完全接触，用来传导其热量。温度对半导体激光器的阈 值电流和输出功率均有影响，其中，阈值电流与温度的关系为： 兰互 i t h ( t ) = i t h ( ts ) e k ( 、4 一、) 上式中，丁为有源区温度，瓦为热沉温度，死为特征温度，如( 乃和如( 疋) 分别 为在某一温度7 1 和热沉温度瓦下所测得的阈值电流密度2 0 1 。 在本设计中，通过检测激光器的输出光功率来调整其注入电流来实现半导体 激光器输出光功率的控制。在半导体激光器的工作过程中，温度的升高将使激光 器的输出光功率下降，系统会自动加大激光器的注入电流，从而保持恒定的输出 光功率。然而，电流的增大又造成激光器发热量增加，使阈值电流升高、输出光 功率下降，不得不继续增大注入电流来保持输出光功率的稳定，从而形成一种恶 性循环，最终由于注入电流过大以及激光器温度过高，造成激光器损坏，使激光 器停止工作。因此，需要设计一个半导体激光器温度控制系统，使激光器在工作 过程中，使温度稳定在一定范围【2 l 】。 4 5 2 温度控制 半导体激光器组件的热传导主要通过以下三种方式进行： 1 传导：分了之间的动能交换，能量较低的粒子和能量较高的粒子碰撞从而 获得能量，单独的一块散热片并不能实现热能的传导，因此要使用制冷器来实现 热传导。 2 对流：通过热物质的运动来实现热传递，这意味着热能是来自于被液体或 气体所包围的热源，通过分予的运动来实现热能的传递。 4 9 河南人学检测技术与自动化装置专业2 0 0 7 级硕t ：学位论文 3 辐射：热能从热源以电磁波的形式直接发散出去，其传热效能取决于热源 的材料以及表面颜色。 本论文中，结合半导体激光器的热传导方式，设计了一套由热沉、半导体制 冷器和温度传感器组成的温度控制装置( 如图4 1 0 ) 。 半导体激光嚣 图4 1 0 半导体激光器温度控制装置 热沉的作用是传导热量，半导体制冷器( t e c ) 的作用是对热沉进行冷却。半 导体致以及致冷、加热的速率，由通过t e c 的电流方向和大小来决定【2 2 1 。温度传 感器采用数字式温度传感器d s l 8 8 2 0 ，无需再进行模数转换，其作用是检测热沉 的温度即半导体激光器的温度，将温度值的数字量传递给f p g a ，使之根据温度变 化对半导体制冷器进行相应操作。 本文设计的恒温控制器采用双向调节，使温度从冷端到热端之间没有死区。 为此，必须给t e c 提供功耗低、效率高的驱动电路。温控模块原理图如图4 1 l 所 示。 图4 1 l 温度控制模块原理图 5 0 茎! ! 里堡堡皇堕塑丝盐! 茎堡 t e c 是利用半导体材料的帕尔帖效应制成的，具有体积小、结构简单、易于 控制等优点。所谓帕尔帖效应，是指当直流电流通过两种半导体材料组成的电偶 时，其一端吸热，一端放热的现象。重掺杂的n 型和p 型的碲化铋主要用作t e c 的半导体材料，碲化铋元件采用电串联，并且是并行发热。t e c 包括一些p 型和 n 型对( 组) ，它们通过电极连在一起，并且夹在两个陶瓷电极之间；当有电流从 t e c 流过时，电流产生的热量会从t e c 的一侧传到另一侧，在t e c 上产生“热 侧和“冷 侧，这就是t e c 的加热与致冷原理。 半导体激光器温度的变化经温度传感器转变为电信号，然后将其与设定温度 值进行比较，从而得出偏差信号。偏差信号由控制调节电路处理后，驱动执行元 件工作使温度稳定在设定温度附近。采用p i d ( 比例积分微分) 控制技术，以减少 静态误差、提高控制精度、加快系统响应。为了防止积分饱和，采用积分分离的 思想对积分项加以处理。另外，为了保护t e c ，防止其因电流过大而损伤，还增 加了限幅电路。 4 6 抗干扰措施 2 3 】 由于半导体激光器对工作条件的要求苛刻，所以，为了避免由于交流电网或 其它方面的干扰而使系统工作出现问题，应当提高系统的抗干扰能力，可采取以 下几种措施： 1 、f p g a 的i o 口抗干扰技术【2 4 】 由于f p g a 的i o 口直接与外界相连，是引入干扰的直接途径，因此i o 口的 抗干扰能力在很大程度上决定了f p g a 芯片的抗干扰能力，必须在i o 口与噪声源 之间增加隔离措施，如光电隔离和信号整形。 光电隔离是采用半导体光电耦合器件进行隔离，其主要优点是有效地抑制尖 峰脉冲和各种干扰，使输入电路中的干扰信号不能直接进入输出电路，从而使过 程通道上的信噪比大大提高。光电耦合有很强的抗干扰能力，在f p g a 芯片系统 与输入信号通道之间加入光电隔离措施，可以克服输入通道窜入尖峰脉冲及各种 噪声干扰，大大提高传输通道的信噪比。在i o 接口与功放电路之间也可采用光电 塑塑查堂堡型丝查：皇鱼垫垡茎墨篁些! 塑! 丝堡! ：堂篁堡奎 隔离技术。 在本f p g a 芯片的核心的中央处理控制系统与外界完全隔离开来，极大的提 高了f p g a 芯片控制器的抗干扰能力，增加了抑制系统的可靠性。此外，输入口 内带施密特触发器，光电编码器信号先通过施密特触发器脉冲波形整形，再输入 到f p g a 芯片中，也能提高电路的抗干扰能力。 2 、在交流电源进线端串入电源噪声滤波器 2 5 】 为了提高系统抵抗来自交流电网的各种干扰能力，在电源进线端串入电源噪 声滤波器，能有效抑制高频干扰的侵入。在没有电源噪声滤波器的情况下，应当 将开关、保险管等靠着输入端安装，尽可能使未经滤波的电源线最短。 电源噪声滤波器采用低通滤波器，它允许5 0 h z 的低频分量通过，对高频分量 有足够的衰减能力，对于i k h z 2 0 m h z 之间的高频信号具有4 0 l o o d b 的衰减量。 理想情况下，对高频分量能急剧地阻止通过，但实际的频率特性不那么理想。在 频率较高时，高频衰减性能下降。因此，在使用一级滤波器后，滤波效果未能达 到要求时，可考虑使用两级或多级滤波器进行级联滤波，这样就能收到较好的滤 波效果。 3 、电源变压器的屏蔽 电源变压器对频率为5 0 h z 的基波的交流电阻抗很小，电能可通过电磁场耦合 到次级，对于高频信号则呈感抗，不能通过电磁场耦合到次级。但是，变压器的 初、次级线圈之间存在着分布电容，它的高频容抗很小，相当于短路。因此，高 频干扰便以电磁场形式耦合到次级，造成严重干扰。利用静电屏蔽原理和变压器 的特殊性，在变压器的初级绕组和次级绕组之间加上屏蔽层，这相当于在变压器 的初级和静电屏蔽层间接入一个旁路电容。这样，一部分从电网进入电源变压器 初级的高频干扰信号，将不再经过变压器初级与次级之间的分布电容的耦合而传 到次级，而是通过静电屏蔽层直接旁路到地，从而减少了由交流电网引入的高频 干扰。 4 、整流电路并联由电阻电容串联组成的支路 5 2 箜婴主堡丛皇堕竺堡盐：! 壅翌 由交流电网引入的高频干扰，由于频带很宽，若仅在交流一侧采取抗干扰措 施，难以保证干扰绝对不进入系统，因此需在直流一侧采取必要的抗干扰措施。 可在整流桥的每一个二极管上并联一个由电阻电容串联组成的支路，电阻为5 3 0 q ，电容为0 0 5 o 5 心。此支路对5 0 h z 的交流阻抗很大，基本上可以顺利入地， 小电容对整流二极管也能起到保护作用。在电路接通的瞬间，整流二极管中的电 流很大，并联在二极管上的小电容分掉了大部分电流，保护了整流二极管。 5 、电路板设计 ( 1 ) 在印刷电路板的电源与地之间并联去耦电容( 采用一个0 1 心的聚苯乙 烯电容和一个1 0 心以上的电解电容) ，这样可以消除电源线和地线中的脉冲电流 干扰。直流电源的电压输出线应当采用交扭线，因为交扭线的传输效果要比平行 线的传输效果好。 ( 2 ) 纳秒脉冲的高频特性要求元件的引线短、电路板布线紧凑，印刷电路板 上的地线线条应该尽量宽以减小地线线条的阻抗，同时要注意利用地线线条进行 隔离，直角转弯时应沿4 5 0 切角切去多余金属部分，斜边长度为1 6 w ( w 为线条 的宽度) ，以尽量减少分布参数【2 6 】。 ( 3 ) 应当把模拟电路集中在一块印刷电路板上或印刷电路板的某一个区域， 模拟信号的输入、输出电缆转接头可直接安装在这块板上。所有模拟电路的接地 点连在一起，只在一点与数字电路地相连。这样可以大大减少其它电路对模拟电 路的影响。为避免高频信号经地线传输或反射，必须采用单点接地，以免影响电 路的j e 常工作。 4 7 本章小结 本章详细介绍了智能控制器件单片机和f p g a 器件的工作原理，根据它 们与外围电路的连接关系，讨论了它们的功能实现方式。其中，重点分析了电流 驱动电路、信号采样电路和温度控制的实现方法及实现过程，这些电路是总体设 计的关键，它们的准确度与精度是实现系统稳定性的必要保证。最后，对抗干扰 措施作简要分析，进一步确保半导体激光器工作的稳定性、可靠性。 河南大学枪测技术j 自动化装置专业2 0 0 7 级硕上学位论文 参考文献 【1 】胡远望，基于单片机p 8 9 c 6 l x 2 的f p g a 配置【j 】，单片机与嵌入式系统应用， 2 0 0 7 ，( 8 ) ：7 2 7 4 【2 】曹巧嫒，单片机原理及应用【m 】，北京：电予工业出版社，1 9 9 7 【3 】肖慧荣，邹文栋，伏燕军等，半导体激光器自动控制系统设 j 】，应用激光，2 0 0 4 ， 2 4 ( 3 ) ： 1 6 5 1 6 8 【4 】王成华，王友仁，胡志忠，电子线路基础教程 m 】，北京：科学出版社，2 0 0 4 【5 】魏小龙，m s p 4 3 0 系列单片机接口技术及系统设计实例【m 】，北京：北京航空航 天大学出版社，2 0 0 3 ：1 4 0 0 【6 】刘睿，利用5 1 单片机实现对激光器电流的精度控制 j 】，激光技术，2 0 0 4 ，2 8 ( 3 ) ： 2 2 5 2 2 8 【7 】张书云，能够检测l d 工作寿命的驱动电源的研制 d 】，开封：河南大学，2 0 0 8 ， ( 6 ) ：1 2 1 3 【8 】阙大顺，高勇，王燕莉，一模数转换器工作原理及应用【j 】，武汉理工大学 学报，2 0 0 3 ，2 7 ( 6 ) ：8 6 4 8 6 7 9 】h 即：w w w i c 3 7 c o m s t o c k i c a a l t e r a h t n l 【1 0 】许文海，杨明伟，朱炜等，基于f p g a 技术的半导体激光器驱动电源的研制【j 】， 红外与激光工程，2 0 0 5 ，3 4 ( 3 ) ：3 6 8 - 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5 】，在不失实验正确性的前提下，本实验以大功率发光二极管替代l d 作为负载， 通过软件设置不同的输出控制电压，测试了多组电压一电流( ) 数据，部分肛j 测试数据如表5 1 所示，其关系曲线如图5 1 所示。胙，线性度基本上满足半导体激 光器的要求。 表5 1 阼朋0 试数据 控制电压 0 1o 5o 91 21 62 o2 42 83 o 输出电流i l 认 2 0 7 88 9 1 31 5 7 5 72 0 8 8 92 7 7 3 53 4 5 7 74 1 4 1 04 8 2 3 75 1 6 3 5 oo 5 l1 5 22 533 5 电压v 图5 1 阼联系曲线 从v 1 的测试数据和关系曲线容易看出，输入控制电压和输出电流基本成线性 关系，符合电压与电流的正比例关系要求。实验中发现，当输入控制电压小于零 5 7 o o o o 0 o o 如 加 m 螺杀 塑塑查堂笙型垫查兰旦垄垡鏊蔓皇些! ! ! ! 丝堡兰：兰垡笙奎 时，输出电流始终为零，且不受输入电压的控制。在不同的输入控制电压下，连 续工作两小时，性能保持稳定，稳定度可达1 0 5 数量级。 5 2 参数设定测试 为验证系统软件设计的准确性和可靠性，必须对半导体激光器的设定电流与 实际电流进行测量分析，其部分测量数据如表5 2 所示。 表5 2 设定电流与实际输出电流的对比 设定电流1 03 05 06 08 01 0 01 2 01 5 0 m a 实际电流9 9 73 0 0 95 0 1 06 0 1 08 0 1 41 0 0 1 71 2 0 1 81 5 0 3 2 m a 相对误差0 2 0 00 2 6 6o 2 2 0o 1 5 00 1 8 70 1 8 0o 1 3 30 2 0 6 设定电流 2 0 03 0 03 5 05 0 06 0 07 0 0 8 0 0 9 0 0 m a 实际电流 2