（检测技术与自动化装置专业论文）半导体激光电源智能化控制系统的研究.pdf

摘要 随着半导体激光器在很多领域得到愈来愈广泛的应用，其驱动电源也更加受到人 们的重视。本文设计了一种基于d s p 的半导体激光电源智能化控制系统，其中包括 了光功率控制和温度控制，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。 本文分析了半导体激光器的工作原理、使用要求及损坏机理。结合系统指标，采 用d s p 2 4 0 7 作为主控制器，设计了针对光功率控制和温度控制的硬件电路和软件算 法。并且采用e w b 软件对设计电路进行了计算机仿真，对系统进行了模拟调试和正 常调试。 设计出的半导体激光电源控制系统的技术指标为：( 1 ) 输出电流0 - - 1 0 0 m a 可 调；( 2 ) 输出光功率0 3 0 m w 可调；( 3 ) 光功率稳定度 0 5 ( 4 ) 温度控制 精度0 1 。 关键词：半导体激光电源光功率控制温度控制d s p a b s t r a c t w i t ht h em o r ea n dm o r ew i d e l yu s e so ft h es e m i c o n d u c t o rl a s e r si nm a n yf i e l d s ，i t s d r i v e ra l s oh a v eb e e np a i dm o r ea t t e n t i o n sb ym o r ep e o p l e t h i sp a p e rd e s i g n e da n i n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mf o rs e m i c o n d u c t o rl a s e rp o w e rs u p p l yw h i c hb a s e do nd s p ，i t i n c l u d e dt h el a s e rp o w e rc o n t r o la n dt e m p e r a t u r ec o n t r o l ，a n di ta l s oc a nw o r kt h e s e m i c o n d u c t o rl a s e ra c c u r a t e l y ，s t a b l ya n de f f e c t i v e l y t h i sp a p e rd e s c r i b e dt h eo p e r a t i o np r i n c i p l eo ft h es e m i c o n d u c t o rl a s e r ，i n s t r u c t i o n sf o r u s e ，a n dt h ed a m a g em e c h a n i s m b a s eo nt h ep r i m a r yd e m a n d so ft h ed r i v e r ，c o m b i n et h e s y s t e mg u i d el i n e ，d s p 2 4 0 7w e r ea d o p t e df o rt h em a i nc o n t r o l l e r f o rt h el a s e rp o w e rc o n t r o l a n dt h et e m p e r a t u r ec o n t r o l ，t h eh a r d w a r ec i r c u i ta n dt h es o f t w a r ea r i t h m e t i cw e r ed e s i g n e d t h ee w bs o f t w a r ew e r ea d o p t e dt os i m u l a t i o nt h eh a r d w a r ec i r c u i t t h es i m u l a t ed e b u ga n d t h en o r m a ld e b u gw e r ea l s od o n et ot h es y s t e m t h ec o n t r o ls y s t e mo fs e m i c o n d u c t o rl a s e rp o w e rs u p p l y st e c h n i c a lg u i d el i n ea r e ：( 1 ) o u t p u tc u r r e n to - - 。l o o m aa d j u s t a b l e ( 2 ) o u t p u tl a s e rp o w e r0 - 3 0 m wa d j u s t a b l e 0 ) l a s e rp o w e rs t a b i l i z a t i o n 0 5 ( 4 ) t e m p e r a t u r ec o n t r o lp r e c i s i o n0 i c k e yw o r d s ： s e m i c o n d u c t o rl a s e rp o w e rs u p p l yl a s e rp o w e rc o n t r o l t e m p e r a t u r ec o n t r o l d s p 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，半导体激光电源智能化控制系统 的研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的 作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：鲨查竖三翌2 年三月旦日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定 ，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：窒查蛙三! ! 皇年三月旦日 指导导师签名： j 箬 第一章绪论弟一阜殖记 1 1 研究半导体激光器驱动电源的意义 信息技术已成为全球的战略技术，以光电子和微电子为支持的通信和网络技术已 成为高技术的核心，正在深刻地影响着国民经济和国防建设的各个领域。其中，半导 体激光器起着举足轻重的作用。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 ) 是利用半 导体材料内产生的受激辐射和谐振腔提供的光反馈制作的一类半导体器件。它是实用 中最重要的一类激光器。半导体激光器具有转换效率高、体积小、重量轻、可靠性 高、能直接调制以及与其它半导体器件集成能力强等特点，因此它成为信息技术的关 键器件。随着半导体激光器输出功率和相干性的不断提高，它在材料加工、精密测量 和医疗等领域也发挥着巨大的作用n 】【幻。 半导体激光器有许多突出的优点。第一，它是是直接的电子一光子转换器，因而 它的转换效率很高。第二，它所覆盖的波段范围最广。迄今，半导体激光器除红外个 别波段外，从1 5 0 0 n t o 到接近6 0 0 n m 短波长区，己全部实现了商品化。第三，它的 使用寿命最长。目前用于半导体光纤通信的半导体激光器，其工作寿命可达数十万乃 至百万小时。 但半导体激光器对工作条件要求苛刻，在不适当的工作或存放条件下，会造成性 能的急剧恶化乃至失效。所以，使激光器正常工作的激光器驱动电源就显得尤为重 要。目前，在国内，部分科研院所和公司虽有相应的产品，但其档次，系列尚不够全 面，大多数为纯模拟的产品。因此，品质优良的半导体激光器驱动电源的研制势在必 行。在半导体激光器件飞速发展的同时，作为激光器重要组成部分的激光驱动电源亦 同步快速地发展，新技术不断涌现，性能不断提高，为激光器件和技术的发展和应用 奠定了基础口儿引。 1 2 半导体激光器驱动电源的发展历程 从半导体激光器、集成电路，单片机和d s p 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，但是作为实际应 用，单片机和d s p 的出现和发展要稍微落后一些，并且初期的低性能单片机也不适 合引入到半导体激光器驱动电源的控制中。因此，半导体激光器驱动电源首先是从采 用模拟控制方式开始的纯硬件电路。因为其电路相对简单，精度也比较高，可手动调 节，因此采用模拟控制方式在很多情况下仍然是一种很好的选择畸，。 采用模拟控制方式虽然也能较好的驱动激光二极管，但由于只能手动调节，无法 用计算机控制，在很多工业应用中降低了精度和自动化程度，也限制了激光的应用场 合哺1 。使用d s p 对激光电源进行控制，能有效地提高电源的性价比，简化激光电源的 硬件结构，增强整机的自动化程度，为整机功能的扩展提供有利的条件，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、智能化的激光器电源也是半导体激光器应用地必然发展方向盯1 。 随着半导体激光器的广泛使用，采用大规模集成电路技术研制出了半导体激光器 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 可靠性得到极大地提高。并且，随着光电子集成技术的发展，已提出激光器与其驱动 电源集成在一起的技术。 1 3 国内外研究现状 自世界上第一台半导体激光器问世以来，极大地推动了其它科学技术地发展，它 被认为是二十世纪人类最伟大的发明之一。近十几年来，半导体激光器的发展更为迅 速，己成为世界上发展最快的一门激光技术眵1 。 随着半导体激光器的广泛应用，对半导体激光器驱动器的研制受到了广大开发商 的重视。目前国外生产半导体激光器驱动电源的厂商比较多，当前生产半导体激光器 驱动电源的厂商主要有w a v e l e n g t h 公司、i l x l i g h t w a v e 公司、t h o r l a b s 公司等。 w a v e l e n g t h 公司产品主要是模拟的，t h o r l a b s 公司和i l x l i g h t w a v e 公司有数字程控 的恒流源产品，其驱动电源产品将恒流控制与恒功率控制集成到一个驱动电源中，使 用时可以选择恒流或恒功率模式。这里将举出几款有代表性的中小功率驱动电源进行 介绍9 i 。 美国i l xl i g h t w a v e 公司是一直致力于生产一系列控制和检测半导体激光器的精 密仪器公司，在半导体激光器的驱动电源的研制方面也取得了卓越的成就，如世界上 的第一台精密激光器电流源l d x 3 0 2 7 就是它生产的u 引。目前i l x 公司已经迅速发 展成为激光器保护和控制领域的先锋。该公司生产的l d x 3 4 1 2 是一款高稳定性、低 噪声、低成本的激光器驱动电源，工作时可提供0 2 0 0 m a 的单向驱动电流，具有恒 定电流、恒定功率两种操作模式，并且对激光器提供多种保护方式。该公司生产的 l d t 5 4 1 2 是一款高稳定性、低噪声、双极输出、低成本的模拟温度控制器。 t h o r l a b s 公司主要产品有p l d 、l d d 等系列。以l d d 2 5 0 0 为例，它能提供 2 5 0 m a 、5 0 0 m a 、2 5 a 、7 5 a 输出电流，输出功率稳定度 0 0 2 ( 2 4 小时) ，具有 恒定电流、恒定功率两种操作模式，并且有独立的限流电路。 韩国m t e c h 公司生产的型号m sl d 3 的半导体激光器驱动电源。可以提供0 3 0 0 m a 的单向驱动电流，具有恒定电流和恒定功率两种工作模式、并带有对半导体 激光器的温度控制功能，是一款同时具有驱动电流控制和温度控制功能的半导体激光 器驱动电源。 2 生产半导体激光器驱动电源的国内厂商主要有北京海特、湖北光通、上海科联等 光电子公司。其产品大部分没有数字程控，没有将恒流与恒功率控制统一。这里列举 几款驱动电源进行介绍。 湖北光通生产的激光电源输出电流范围0 6 a ，最大输出电压4 v ，控制精度 0 0 1 a ，噪声和起伏 0 0 1 a 。 北京海特光电责任有限公司是在国内享有盛意的半导体激光器及应用产品制造 厂商。由海特公司设计和生产的h t p w 0 2 0 3 可以向半导体激光器提供0 3 a 的驱动 电流。它具有输出阻抗高、恒流特性好、电流稳定、抗干扰能力强等优点，并具有防 过冲、反冲和浪涌的保护电路，能够保证半导体激光器的稳定工作。 1 4 论文的主要内容 在对研究内容准确理解的基础上，本论文主要内容包括以下几部分： ( 1 ) 深入分析了半导体激光器的工作原理、使用要求及损坏机理，提出了对半导 体激光器驱动电源的基本要求。 ( 2 ) 对系统各部分进行了方案论证和理论分析。 ( 3 ) 根据对l d 驱动电源的基本要求，结合系统指标，采用d s p 2 4 0 7 作为主控 制器，设计了针对光功率控制和温度控制的硬件电路。 ( 4 ) 软件部分对光功率控制采用的是带死区的p i d 控制，对温度控制采用的是 p i d 参数模糊自整定算法，增强了系统的稳定性和灵活性。 ( 5 ) 进行了计算机仿真、实验测试及结果分析。 3 2 1 引言 第二章半导体激光器原理及其使用要求 半导体激光器工作的基本原理是基于电磁辐射与半导体( 内部的载流子) 的相互 作用。与光子和原子中的电子相互作用类似，半导体中的电子与光子间的相互作用也 有三个基本过程一一受激吸收、自发发射和受激发射。但是，在半导体中这三类电子 跃迁过程不是发生在分立能级之间，而是发生在表征电子能量状态的能带之间。因 此，发生跃迁的可能性大小和特征就与半导体的能带结构以及导带中电子的态密度 ( 价带中则为空穴态密度) 的分布有关1 。 本章对半导体激光器的原理做了介绍。根据对半导体激光器的基本工作原理的分 析可知半导体激光器的使用要求和损耗机理。注入电流决定着是否满足激光产生的两 个条件，同时通过控制载流子的注入程度可以控制半导体激光器输出光功率的大小。 了解了这些，也就知道了半导体激光器对供电电源的基本要求和对保护措施的基本要 求n 引。 2 。2 半导体激光器的工作原理 任何半导体激光器的外部结构都包括三部分。即能产生粒子数反转的激光工作物 质，使光子不断反馈振荡从而使光振荡达到阈值的光学谐振腔以及激励起粒子数反转 的电源。 就基本原理而论，半导体激光器和其它类型的激光器没有根本的区别，即都是基 于受激光发射。要使激光器得到相关的、受激光输出，要满足两个条件，即粒子数反 转条件与阈值条件。前者是必要条件，它意味着处于高能态的粒子( 如半导体导带中 的电子) 数多于低能态的粒子数。达到这一条件，有源工作物质就具有增益，后者是 充分条件，它要求粒子数必须反转到一定程度，即达到由于粒子数反转所产生的增益 能克服有源增益的内部损耗和输出损耗( 激光器的输出对有源介质来说，也是一种损 耗) ，此后增益介质就具有净增益n 驯。 一旦在半导体有源介质中实现粒子数反转，该介质就具有正增益，即具有对内部 和外部的光子进行谐振放大的能力。有源介质的增益系数可表示为： r “ g ( h v ) 一= b 2 1 p 。成( f 。一0 ) p ( h 1 ，) ( 2 】) c 。 式中，r 为模场限制因子，f 。为电子在导带的占据几率，c ，为电子在价带的占据 几率。如果f 。 f ，时，增益系数为正值，因此增益系数并非有源介质本身的属性， 4 它是与半导体激光器的注入电流或注入载流子浓度相关的。如不考虑增益色散而取线 性近似n4 | ，可以将增益系数表示为： g p a ( j j o ) ( 2 2 ) 式中，彳为增益系数，它代表材料增益系数与注入电流密度线性相关的斜率，其 值依材料不同而异；j 。为透明电流密度。 要使激光器开始产生相关辐射输出，必须使粒子数反转达到一定的程度，即达到 由激光器的增益和损耗决定的阈值，即 g 咖= 口i + 口砌 ( 2 3 ) 式中，g 山为阈值增益；口；为增益介质的内部损耗，主要来自于光子在增益介质 内部遭受的吸收和散射损耗；口。是激光器的输出损耗n 引。 除了阈值增益以外，激光器在阈值点所对应的其它参数( 如注入电流、注入载流 子浓度等) 均称为阈值；由于电流易被测量，故阈值电流是表征半导体激光器质量优 劣的一个重要参数。超过阈值后注入电流的进一步增加，粒子数反转程度受到抑制， 增益系数也相应地被“钳制 在阈值增益上。对处于振荡状态的半导体激光器，在阈 值以后所增加的注入载流子用来增加所需的输出功率n 6 1 。因此，应将式( 2 3 ) 中口。 理解为在谐振腔内建立振荡( 即光子在谐振腔内来回一周的环路增益为1 ) 所引起的 输出损耗( 而不包括激光器在阈值后的输出) ，只与谐振腔的长度，腔面反射率有 关。 2 3 半导体激光器的使用要求 2 3 1 半导体激光器的技术指标 表2 - 1 川l 6 5 0 t 3 0 半导体激光器最大绝对额定值 5 表2 2 川l 6 5 0 t 3 0 半导体激光器光电特性技术指标 实验中选用的是重庆航伟光电科技有限公司的a l 6 5 0 t 3 0 激光二极管。其具体技 术指标如表2 - 1 ，表2 2 所示。电流输出光功率关系特性曲线如图2 1 所示。 e ( m w ) 3 0 o 3 010 0 图2 1 半导体激光器电流输出光功率关系特性曲线 半导体激光器是一个热功率器件，在驱动电流一定的情况下，其输出光功率随着 l d 温度的升高而下降，从而影响仪器设备中的光电系统的正常工作。 半导体激光器的一个重要的特性就是：在驱动电流大于阈值电流以上的一段区 域，驱动电流与输出光功率近似呈线性关系，这样就可通过调制驱动电流来对l d 的 输出光进行直接调制。 图2 2 所示是一种典型的小功率半导体激光器在不同温度下的激光输出功率p 与 正向驱动电流i 的关系曲线。从图中可以看出：某一温度下，当驱动电流i 小于阈值 电流j r 晴时，激光器输出光功率p 近似为零，激光器输出端仅能看见微弱的暗红色；而 当驱动电流大于阈值电流，埔时，激光器输出光功率p 随着驱动电流i 的增加近试呈线 性上升关系。为了便于看清楚，图中底部的近似直线部分有意抬高了一些。 6 i m a 图2 2 不同温度下l d 的p l - v 曲线 对一般的半导体激光器，其前后端面都有相同的激光输出，因此有些半导体激光 器在与其后端面毗邻处设置一个光电二极管( p d ，p h o t od i o d e ) ，供用户作为自动 功率控制( a p c ，a u t op o w e rc o n t r 0 1 ) 或跟踪半导体激光器的运行情况。因此可根据 该光电二极管的光电流或外部光探测器的显示情况来判定激光器的运行情况口1 ，如图 2 3 所示。我们选用的u 石5 0 t 3 0 激光二极管就是这样的。 j i 、，、 h v l i ) i d p d l 、一l d ( 1 。 l 、 图2 3 利用半导体光探测器监控半导体激光器 2 3 2 半导体激光器的等效电路 不同型号半导体激光器等效电路视其器件结构不同而异，如结面积的大小、内引 线与芯片连接方式等均会影响电路分布参数的大小，即使是同一型号的半导体激光器 其等效电路参数也有很大的离散性。因此本文只给出基本的原理性等效电路，如图 2 4 所示。图中，s 、r s 、c s 都是很小的量。c s 和尺s 分别是半导体激光器的寄生 电容( l p f ) 和电阻( 一般为数欧姆，主要来源于接触电阻，在正向偏置下有源区的 电阻 1q ) ，l s 为引线电感( 1 2 n h ) 怕。 7 l s r s 图2 4 半导体激光器的等效电路 2 3 3 连续工作方式下半导体激光器对供电电源的基本要求 、l d 、 在半导体中注入的非平衡载流子( 电子、空穴) 复合以光子形式放出复合所产 生的能量称辐射复合。而主能带之间的受激辐射复合形成半导体激光器的工作原理， 激励这一过程的光子可以是外来光子或内部产生但受到反馈的光子。前者是属于半导 体激光放大器或锁定激光器的情况，用半导体激光器泵浦固体激光器的激励方式则属 于后者。 根据在2 2 中半导体激光器的基本工作原理的分析可知，注入电流决定着是否满 足激光产生的两个条件，同时通过控制载流子的注入程度可以控制半导体激光器输出 光功率的大小，这一点也可以从图2 1 半导体激光器的工作特性曲线上得到验证。激 光器的电流达到阈值后，有激光输出，激光器进入工作区域，此后输出功率几乎随电 流的增加而直线上升。 一个激光器在制成后，其内部工艺结构的定型，决定了它的功率效率也随着定 型。也就是说对于一个成品激光器，它的功率效率是一定的。 因为： e p = p o v f i f ( 2 4 ) v f = v i + i r r 。 ( 2 5 ) 且在阈值以上结电压v ；维持不变( = e 。e ) ，所以： p o = e p v f i f 昌e p ( v j + i f r 。) i f ( 2 6 ) 式中，e 。为功率效率；r 。为半导体激光器的串联电阻。 由于功率效率和串联电阻均为定值，故电流是直接控制半导体激光器输出光功率 的因素。而要使半导体激光器输出光功率在直流工作方式下输出光功率稳定，稳定的 电流供电则是主要要求。 8 2 4 半导体激光器的损坏机理 在正常条件下使用的半导体激光器有很长的工作寿命。然而，半导体激光器也是 很容易被损坏的，即在不适当的工作条件下，会造成性能的急剧恶化乃至失效，由于 半导体激光器制作工艺的限制，其成本比较高，尤其是大功率的半导体激光器价格是 非常昂贵的，对其损坏机理有必要作以分析。 半导体激光器的突然失效可由p n 结被击穿或用作谐振腔面的解理面遭到破坏而 造成，视其击穿或破坏程度而表现为输出功率减小或无输出。实际上半导体激光器又 被称为激光二极管，它的核心也是p n 结，具有和普通电子学中的二极管相似的二极 管特性，一旦p n 结被击穿，则无法产生非平衡载流子和辐射复合。超过破坏阈值的 光功率可以使解理面局部或全部损伤，而导致激光输出功率的下降或变成二极管，乃 至失效。 统计表明，半导体激光器突然失效，有一半以上的几率是由于浪涌击穿。浪涌是 一种突发性的瞬态电脉冲，是半导体激光器瞬时承受过电压而可使p n 结击穿，在瞬态 过电压下的正向过电流所产生的光功率可以使解理面损伤。 浪涌产生的原因是多方面的，常见的有： ( 1 ) 半导体激光器驱动电源在接通电路时，会在电路中形成一个过渡过程，即 在开启时，驱动电流出现幅度很大的过冲，随后经过过渡过程才趋于稳定。这种驱动 电流的过冲易使p n 结遭受电击穿，使解理面遭受损伤或破坏。 ( 2 ) 半导体激光器驱动电路与激光器相联的电容过大，则在关断电源时，电容 的放电可引起半导体激光器过电流，使其p n 结发生击穿，解理面损坏。 ( 3 ) 与半导体激光器驱动电源并联的外电路的浪涌( 如驱动电路接入照明线， 而某一与之并联的荧光灯开关时，会产生1 0 0 0 v 左右的浪涌电压) 串入驱动电路， 造成激光器击穿。 ( 4 ) 控制电路的偶然失效也会导致半导体激光器的损坏，如有的电路使用电位 器调节激光器驱动电流或输出功率，若电位器滑动触点在滑动过程中出现机械或尘屑 引起的接触不良，则会导致浪涌，危害激光器。 9 3 1 引言 第三章方案论证与理论分析 在上一章中分析了半导体激光器的工作原理及其对驱动电源提出的基本要求。本 章中给出半导体激光器在使用过程中对驱动电源提出的具体技术指标。提出了实现这 些指标的系统结构框图，针对其中主要和关键部分的电路进行了方案的筛选论证，并 作了必要的理论分析。 3 2 半导体激光器电源的指标分析 通常，半导体激光器的电流源以两种方式工作：一种是恒定电流工作方式，另一 种是恒定光功率工作方式。在恒定电流工作方式中，通过电学反馈控制回路，直接提 供驱动电流电平的有效控制，由此获得最低的电流偏差和最高激光二极管输出的稳定 性。当激光二极管的温度也受控时，会产生最好的效果。在恒定光功率工作方式中， 由于电流的变化，很难实现好的温度控制，所以必须内装与反馈回路相连的监测光电 二极管或其它外部探测器来实现驱动电流的控制。这种工作方式的缺点是当激光器的 温度漂移时，可能造成激光波长变化和产生模式跳跃n 7 1 。 现采用第二种工作方式一一恒定光功率工作方式，对电源进行设计。对本论文中 半导体激光器驱动电源的技术指标要求是按照对半导体激光器驱动电源的一般性要求 提出的。 半导体激光器工作于恒定光功率控制的连续工作方式，驱动电源注入激光器的电 流是直流，但是其大小在一定范围内是可以通过终端调节的。电源应有完善的设计， 并应具备相应的保护措施，使半导体激光器无论在开启、关闭还是在工作状态下不受 到损伤。 主要的技术指标要求： (1)输出电流0-100ma可调 ( 2 ) 输出光功率o - - - 3 0 m w 可调 ( 3 ) 输出光功率稳定度 ， 少u 1 0 2 少 5 k f ln lu 2 l 2a g n d d d a c l 2 1 0 s 略+ 1 2 v 吼，d i o pl o p e 5 l西v 雎f + 5 v l w e w r7 - 4 7 u f w r 2 d g n d t a e n 抑 b y t e i b 1 r r e 2 刊竺卜 x f e r 图4 3d a 转换部分电路图 1 9 4 5 键盘和显示 4 5 1 键盘电路和l c d 显示 没有外围电路的控制单元是无法工作的，有了合理的外围电路才能发挥控制单元 的作用，控制单元的外围电路包括显示电路、键盘电路。 系统中要显示的信息主要为半导体激光器工作的功率，温度及操作时的信息等。 键盘电路如图4 4 所示，设计采用的是行列式方式，由一条i o 线组成行输入 口，8 条i o 线组成列输出口、在行列的每一个交点上，设置一个按键，读键的方法 采用扫描方式：即输入口输入低电平，再从输出口读入键信息，最后通过软件方法获 得键码。 本设计在设置激光器工作参数时共用到八个按键，分别是k 键、启动、停止、模 式选择、功能选择、增量、减量、确定。模式选择用于设定激光器的最大工作功率， 功能选择用于设定激光器的工作功率和温度，通过增量、减量键来改变其值，每次为 0 1 m w 或0 1 。c ，系统用s p i 模式将检测到的光功率送入l c d 显示。 4 5 2 上位机显示 图4 4 键盘电路图 本设计在传统键盘和l c d 显示的基础上，还增加了上位机显示功能。d s p 和上 位机的通信用串口实现，d s p 的r x d 、t x d 通过m a x 2 3 2 可直接与p c 机的串口相 连，在上位机引入虚拟仪器界面显示激光器的工作状态，用l a b v i e w 实现。 l a b v l e w 的图形化程序设计是基于现代软件的面向对象技术和数据流技术而发展起 来的。数据流程序设计表示只有在所有输入都有效时，一个对象才开始执行，同样， 只有当对象的功能完成以后，输出才有效。这样的话，互相在对象间的数据流控制着 执行顺序，执行顺序不局限于来自文本式程序设计的线形顺序，它可以不受其限制。 用户能够通过连接功能模块来快速开发自己的应用程序，甚至能够使用多路数据通 道，实现同步操作。与传统的文本式程序设计一样，l a b v i e w 也有控制流程图功能 执行的部分，它们包括s e q u e n c e 、c a s es t a t e m e n t 、f o rl o o p 、w h i l el o o p 结构，它们 被图形化地描述成边界结构，像在传统的线形化程序设计中可以插入代码段一样，可 以把图标放在l a b v i e w 图形结构的界限内部啦引。 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t s ，简称v 1 1 系统是计算机技术与仪器技术相结合的产 物。它利用计算机系统的强大功能，结合专用硬件( 包括数据采集卡、p x i 仪器、 g p i b 卡、v x i 仪器、p l c 、串行设备、图像采集卡、运动控制卡等) 大大突破传统 仪器在数据处理、显示、传送、存储等方面的限制，使用户可以方便地对其进行维 护、扩展和升级。 虚拟仪器系统技术的基础是计算机系统，核心是软件设计。所以通常也把用包括 g ( g r a p h i c a ll a n g u a g e ) 语言在内的高级语言编制的可视化系统程序称为虚拟仪器。目 前流行的虚拟仪器软件开发工具有两类。一类是基于文本的编程语言，如c ，v i s u a l c + + ，l a b w i n d o w s c v i ；另一类是图形化的编程语言，代表性的有l a b v i e w ， a g i l e n t v e e 等。其中l a b v i e w 最为流行，它是目前应用最广、发展最快、功能最 强的图形化软件。 l a b v i e w 有一个图形编辑器来产生最优化编辑代码，虚拟仪器执行他们相当编 译c 的速度。利用应用程序生成器，用户能够产生虚拟仪器，就像独立的可执行程序 一样。 本设计的前面板显示如图4 5 所示。 爹爹j 4 37 。i 。 ；毫赫么。么：志；么。鬟么磊乏兰磊乞：纛：磊。：。：纛77 蟹7 轳。9 i ? ”哆“镌 l l 半导体激光电源控制参数显示； 孑孑 爹 孑7髻 “ ；，工作状态篓婴兰竺篓烹氅竺避兰墅整苎妻。竺i ；0 4 ；3 5 1 6 l 制冷当前功率( 枷)检测温度托)设定温度下阈值电流( m a ) j 3 偏差( 棚) # p d ：协4 “# * * 女4 ，l 一1 ，；+。， 图4 5 4 6 电流源电路与过流保护电路 ? 3 6 5 偏差( ) ，t，o4 ；t m i 1 5 上位机前面板显示 一，a v * 枷枷r o m “t k m “r ， ；4 0 1 当前驱动电流( m a ) ； ?l “ 秘。j | 。一，沁强 ? 、| _ i 二，“、五+ 挠； 控制单元所产生的幅度调节信号送到恒流源电路，作为基准信号吃，控制恒流 源的电流。 结合半导体激光器的特点，根据第三章的相关分析，设计出如图4 6 所示的可调 恒流源驱动电路嘲【2 3 】。 激光二极管的正极需接地，所以不能直接采用图3 2 的采样形式，因此对采样反 馈电路部分作了改变，采用负电源也是因此晗引。采样电路由u 2 、r ，、r ：、r ，、r 。 2 1 ( 蜀= r ：= r ，= r 。) 和采样电阻尺。组成。运放u 1 、三极管t 1 和采样电路接成电 流并联负反馈。 v 4 = r l 。k ( 墨+ r 2 ) ( 4 1 ) 圪= r 3 。幔一圪) ( r + 尺4 ) + 圪 ( 4 2 ) u 1 、u 2 都工作于负反馈状态，因此 吃= 圪，v 4 = 圪 ( 4 3 ) 可得 = v l 一心 ( 4 4 ) i o = 圪r o ( 4 5 ) 一l z 图4 6 可调恒流源与过流保护电路 稳定通过尺。的电流，。，使l d 的驱动电流准确的跟随调制信号圪，而不受l d 结温和电源电压的影响。这里t 1 的作用是扩大电流，r 是反馈电阻，由式4 5 知流过 l d 的电流，。= 圪r o ；即当输入信号k 。稳定时，流过l d 的电流由w 和只。决 定，与l d 的结电阻大小无关。因此，确定了r 以后，通过k 。就能改变注入激光 器的工作电流，从而调制激光器的输出功率。微调尺。、r ：、尺，、r 。的值，可使输 入失调电压的影响降为零。 采样电阻的值越大，其对稳定度的影响就越小，但采样电阻的功耗也会越大，我 们选的采样电阻为5 0 q ，最大功耗为0 5 w 。系统中采用了锰铜材料的采样电阻，它 具有很低的温度系数。 l d 两端反向并联的二极管d 是为了防止反向浪涌，为一只普通的锗晶体二极 管，反向浪涌可通过该二极管释放。c 1 可滤掉高频成分，提高了抗干扰性能。电感 l 1 起限制电流突变的作用哺1 。 为了保证l d 正常使用，需要限制注入电流的大小。调制信号的大小是由d s p 控制信号调整环节决定的，因此正常情况下可以通过程序限定其最大值，这里主要讨 论在诸如静电、高压、浪涌电流以及电网冲击等意外情况下过流的保护。过流保护环 节由电压比较器u 3 、晶体管t 2 、继电器j 组成，其中j 1 ，j 2 是j 的触点，图4 6 中所示为断电状态下j 的触点位置。过流保护的原理如下：流过l d 上的电流和风上 的压降成正比，正常情况下k 。小于参考电压以，比较器输出高电平，继电器j 通 电，恒流源正常工作；当电流超过设定值时，k 。大于k ，则电压比较器u 3 翻转 为低电平，继电器j 失电，l d 被触点j 2 短接，t 1 集电极因触点j 1 断开而关断，这样 就避免l d 过载。由于d s p 的外部中断输入i n t 0 与比较器的输出相连，所以d s p 同时产生中断，在中断处理程序中将配关断，并将调制信号输入k 。降为零。延时 - - d , 段时间后重新开通t 2 ，并令k 。慢慢升高，若无过流则恢复工作，否则比较器将 会再次翻转而产生中断，若连续多次产生过载中断，d s p 则报警提示乜钔引。 4 7 稳压供电电源电路 这里的稳压供电电源电路是为了供给可调电流源。其他电路还需要_ 1 2 v ，+ 5 v 和 + 3 3 v 的电压，我们使用了启东计算机总厂生产的辅助电源。 为了得到稳定的5 v 和3 3 v 电压，我们使用了7 8 0 5 和t p s 7 6 8 3 3 芯片。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 所需核心供电电压和i 0 供电要求为较稳定的3 3v ，t p s 7 6 8 3 3 芯片是一个低 压降的电源调节器，可以从5v 输人电压获得3 3v 的电压，最大可提供认电流。 为了极可靠的抵抗电网浪涌，我们采用了双重过电压保护、噪声滤波的交流供电 方式。如图4 7 所示，r 1 为4 7 0 v l k a 压敏电阻，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 2 为2 7 v 0 5 k a 压敏电阻，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 3 0 1 ，它对超快速的脉冲干扰( 这类干扰有可能超越 反应较慢的压敏电阻而串入电源内) 可以起良好的吸收作用。 f 一幸：r n f 图4 7 系统供电电源电路 l 1 、c 4 、c 5 为l c 滤波网络，这里l 1 的数值取得较大以阻止电流突变。 c 1 、c 2 和c 3 也取得较大，使得在意外断电情况下电压能缓慢降低。 4 8 光功率采样及放大电路 图4 8 光功率采样及放大电路 如图4 8 所示。光探测器p d 、运放u 1 、电阻只，构成电流放大型i c 变换电路， p d 和运放u 1 的两个输入端同极性相连，运放两输入端间的输入阻抗是p d 的负载 电阻，可表示为 z 抽r ，( a + 1 ) ( 4 6 ) 式中，4 是放大器的开环放大倍数，死? 是反馈电阻。 当a = 1 0 4 ，r ，= 2 0 kq 时，z 抽= 2q ，可以认为p d 是处于短路状态，能输 出近于理想的短路电流。处于电流放大型状态的运放，其输出电压y 与输入短路光 电流，。成比例关系： v = i s c 。rf = r f se 。e 4 - 、) 式中，s ，为光照灵敏度，e 为光照度。即输出信号与输入光照度成正比。 这种使p d 处于零偏置状态的电路，相对于反相偏置而言，具有更低的噪声和线 性度。尺，采用温度系数小的金属膜电阻，金属膜电阻通常比碳质电阻的噪声小，因 为碳质电阻内部介质不连续会带来较大的闪烁噪声，对测量电路的信噪比不利。 由于运放的输入电流随温度而变化，使得在大阻值的电阻上形成可观的电压漂 移，为了补偿这种漂移带来的误差，可以在运放的同相输入端也接同一规格的电阻 r 2 ，并在其两端并一0 1 u f 的电容用以旁路其带来的噪声啪3 。 2 4 电容c ，的作用是降低系统的带宽，减小输出噪声。c ，越大，则输出噪声越 小。但c ，太大会造成系统响应过慢，这里取c ，= 1 0 0 0 p f 。电阻r 1 为运放u 1 的调 零电阻，其大小为2 0 kq ，调节r 1 可使运放u 1 的输入失调电流为零。在运放的输 出端接有一低通滤波器，该滤波器的作用是将高频噪声进行衰减瞳引。 4 9 温度控制电路 如图4 9 所示温度控制系统硬件电路由控制部分、数据采样部分、输入输出部分 和驱动部分组成。控制部分采用d s p 2 4 0 7 ，它主要完成数据处理、根据控制算法计 算输出控制量。数据采样部分由恒流源和温度传感器( 铂电阻) 组成，它主要完成温 度数据采集的功能；输入输出部分采用键盘和显示器，由键盘设置所需要的l d 工 作温度值，由d s p 通过s p i 模式送给l c d 显示。如果采用上位机显示模式，则由 d s p 通过串口传送给上位机，显示器同时显示l d 的设置温度和实际温度值；驱动 部分采用数字p w m 功率驱动器电路，它为控温执行器件t e c 提供双向的、大小精 密可调的驱动电流。由此可见，数字p w m 功率驱动器在整个温度控制系统中起着非 常重要的作用。 开关式半导体激光器温度控制系统的控温过程是：d s p 系统将采样温度与设置温 度之间的差值作为输入变量，可采用模糊、p i d 以及神经网络等控制算法对其计算产 生相应的控制量。控制变量经由数字p w m 功率驱动器产生相应的电流驱动t e c ，对 安装在t e c 上的被控器件l d 进行加热或制冷，同时l d 的温度又被温度传感器反 馈到d s p 中，从而调整输出电流的大小，直到l d 的温度稳定在设置的温度点。t e c 是数字p w m 功率驱动器的驱动对象乜引。 l 键盘 ， a d 转换i 温度检测 i 显示i d 串口s 0 p 数字p w m 功率 半导体 激 驱动器 制冷器光 上位机 应用模块器 图4 9 温度控制系统框图 4 9 1t e c 的选择 在众多的温度控制元件中，为什么选择t e c 作为半导体激光器的温度控制系统 的控温执行元件呢? 这是因为半导体激光器的温控器件必须满足特殊的要求。鉴于环 境温度可能高于或者低于激光器的最佳工作温度为2 5 左右，其控制器必须同时具备 加热和制冷的能力。t e c 正是具有此能力的器件。为此，驱动t e c 的驱动电流也必 须是真正双向的；半导体激光器的温度控制器必须能够精确的控制温度，保持温度在 0 1 之内。t e c 可使温度控制的精度达到0 0 0 1 ，完全能够满足此要求；激光器的 系统是密集的，需要温度控制系统尺寸小，以防过多的热消耗。t e c 的尺寸很小， 如4 0 m m * 4 0 m m ，2 0 m m * 2 0 m m 等，可以满足激光器系统对尺寸的要求；控制器必须工 作在单极性、低电压电源下，其工作不损害电源，t e c 也满足这样的条件。综上所 述，t e c 是半导体激光器温度控制系统首选的温度控制执行器件口2 儿3 3 1 。 我们选用的t e c 是珠海金电子制冷有限公司生产的1 2 7 0 5 型号t e c ( 额定电压 1 2 v ，额定电流5 a ，尺寸4 0 m m x 4 0 m m 4 m m ) ，通过图4 1 0 所示的实验方法来测 量其等效电阻( 其中r a = 2 8 3q ，可承受最大电流为3 a ) 。改变电源电压的值，读取 电流表显示的电流大小。最后，得该t e c 的等效电阻近似为3 5 0q 左右。从实验结 果看出，随着电流的增大，等效电阻值下降。 图4 1 0t e c 等效电阻测量实验示意图 4 9 2 温度传感器的选择及数据采样电路 温度传感器大致包括以下三种：分立式温度传感器( 含敏感元件) ；模拟集成温 度传感器控制器；智能温度传感器( 即数字温度传感器) 。 模拟集成温度传感器，是采用硅半导体集成工艺制成，是在2 0 世纪8 0 年代问 世，具有功能单一、测温误差小、价格低、响应速度快等特点，但这类传感器提供的 模拟输出要送至比较器或模数转换器才能将温度数据转换为数字格式送交主机处理， 本身的测量精度不高。 流行的数字温度传感器，它的测温范围、响应时间、测量精度等技术指标都相当 出色，但是需要严格的时序控制，另外考虑到激光电源要求稳定性很高，数字温度传 感器的抗干扰能力有限，同时测温的同步控制也不好实现。 热电偶、热电阻、热敏电阻及半导体温度传感器，均属于分立式温度传感器。这 类传感器虽然需要信号调理电路，但由于良好的抗干扰能力和抗静电能力，所以应用 广泛。其中，铂电阻温度传感器与其他分立式温度传感器相比，其温度特性稳定，线 性度好，配合后续的模拟温度变送器，广泛应用在各种测温环境中，能够满足集散式 测量系统的同步需求，满足本系统中的具体要求。综上，采用高灵敏度铂电阻温度传 感器作为系统前端的温度采集单元。某些激光器己将铂电阻封装于其中。 一、元件特性 铂电阻温度传感器是利用白金电阻值随着温度变动时所产生之变化以感测外界温 度。由于白金的特性稳定，即使应用温度高达1 0 0 0 0 c ，仍能正常运作，且白金的电阻 温度系数几乎为常数，设计线路时十分方便。运用先进的加工科技，可获得高精密度