（电子科学与技术专业论文）半导体激光电源及温控系统的研究.pdf

a b s t r a c t ： i nt h i sp a p e r a c c o r d i n gt om e a s u r et h ec h a r a c t e r i s t i e so fs e m i c o n d u c t o r1 a s e r , a m a t h e m a t i cm o d e lh a sb e e ne s t a b l i s h e df o ra n a l o gc o n t r o lc o n s t a n tc u r r e n ts o u r c e a t t h es a m et i m e ，d e v e l o p i n gas e m i c o n d u c t o rl a s e rp o w e r s u p p l y t h ea d j u s tr a n g eo f i t s c u r r e n to u t p u ti s0t o5a a n di tb e l o n gt oae f f i c i e n ts y s t e mw i t h o u ti m p a c t i t s e f f i c i e n c yh a sb e e ni m p r o v e dt o8 0 ap r o g r a mt h a tc h a n g i n ga n a l o gc o n t r o l c o n s t a n tc u r r e n ts o u r c et od i g i t a lc o n t r o lc o n s t a n ts o u r c ea l s ob e e na c h i e v e d f o rs o l v et h ep r o b l e m 也a ts e m i c o n d u c t o rl a s e ro p e r a t i n gw a v e l e n g t hc h a n g e d 谢t h t e m p e r a t u r e d e s i g n i n gal a s e rd i o d et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m i nt h i ss y s t e mu s e d t w om e t h o df o rt e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n g ，o nt h eo n eh a n d , h e a t i n gt h r o u g hp w m t e c h n i q u e ；o nt h e o t h e rh a n d , c o o l i n gb yc o n s t a n tc u r r e n t o nt h ep r o c e s so f t e m p e r a t u r ec o n t r o lp r i n c i p l ea d v a n t a g eo fp i d a tp r e s e n ti th a sb e e nu s e di na na c c e d ea t t r a c t i o ns y s t e m k e y w o r d s ：a n a l o gc o n t r o li n v a r i a b l es o u r c eo fc u r r e n t d i g i t a lc o n t r o li n v a r i a b l e s o u r c eo fc u r r e n t ，t h e r m o r e g u l a t i o ns y s t e m ，p i dc o n t r o l l i 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所* 交的硕十学何论文，c i - 导体激光电源及温控系统的设计是本人在指导 教师的指导卜，独立进行研究l ：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利集 体，均已住文中以明确方式标明。本人完全意识剑本卢明的法律结果由本人承担。 作者签名：岳蛊j 蕴z 2 年j 鳓上归 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：【人学硕十、博十学位论文版权使州规定”，同 意k 春理l ：人学保留弗向中国科学信息研究所、中国优秀博硕十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fj 或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被奄阅和借 阅。本人授权k 春理i ：人学可以将本学位论文的全部域部分内容编入有犬数据库进行检索，也 町采川影印、缩印或扫描笛复制手段保存剃汇编学位论文。 作者签名：夏宝盛z 坌年立月翌绸 指导导师虢鳓毖三理年王月正 第一章绪论弟一早殖比 1 1 本课题的意义 随着科学技术的飞速发展，半导体激光技术已经深入到国民经济和国防建设各领 域。根据激光器的用途，相应的产生了三种驱动方式的激光电源：恒流控制，恒功率 控制和脉冲控制。恒流控制指驱动电源为激光器提供恒定的电流；恒功率控制，指驱动 电源提供驱动电流，使激光器工作在恒定的光功率上。脉冲控制，指驱动电源为激光 器提供脉冲驱动电流。由于半导体激光器是一种高功率密度并具有极高量子效率的器 件，对于电冲击的承受能力很差，因而在实际应用中对驱动电源的性能和安全保护有 着很高的要求。如何能利用激光电源更好的发挥激光器的性能，怎样由最小的体积构 成较高效率的激光电源来满足激光器的使用要求，成为我们迫切需要解决的问题。正 是激光器应用日渐广泛，而现有的激光电源存在诸多缺陷成为我们研究本课题的原动 力。我们在设计过程中，也着重考虑了对激光器进行安全有效地保护，比如限流问题， 防止上电冲击问题，延时启动问题等。 1 2 国内外研究现状 七。九所技术人员在1 0 0 w 激光电源的研发过程中，采用基于d s p 控制的p w m 高压 高频开关模式与电压电流双闭环控制方式，大大提高了电源控制精度，增加电源运作 稳定性，成功解决了激光电源高压磁场干扰、波形震荡、启辉控制、启落时间、散热 的技术困难。该型电源具有较宽的输出范围和较佳的恒流匹配效果，能够有效提高配 套激光管的寿命和激光器整机性能，并具有过压保护、过流保护、开路保护、短路保 护、水流保护等功能，工作温升低、效率高，安全性好。 鞍山核心电子技术有限公司研制出超低噪声电源：具有可变恒流输出特性( 可变电 流值1 0 0 m a 、2 0 0 m h 、2 5 0 m h 、5 0 0 m a 、1 a ) 。并且正在研发另外一种高效率、高稳定度的 电源( 效率大于等于9 0 ) ：恒流输出范围( 1 h ，2 a ，4 a ，6 a ) 。 2 0 0 9 年9 月1 日，来自美国和中国的科学家联合研制出世界最小的半导体激光器 这项被称为“表面等离子体激光技术”的研究，在激光物理学界堪称里程碑，于八月三 十曰在自然杂志上刊登，由加州大学伯克利分校华裔教授张翔率领的研究团队、 北京大学戴伦教授及其博士生马仁敏共同完成。 欧司朗光电半导体成功研发直接发光绿色氮化铟镓激光器，标志着实验室研究取 得重大突破。该款激光器的激光输出功率高达5 0m w ，能发射波长为5 1 5n l t l 的真绿 光线。与目前采用倍频技术的半导体激光器相比，直接发光绿色激光器体积更小，温 度稳定性更高，调制能力更强，更易于控制。 法国o x x i u s 的工程师开发了一种专利性单片电路振荡器，制造了一款独特的二极 管泵浦固态激光器，能够满足上述三个指标。该激光器能够替换目前在紫外和可见光 领域的传统气体激光器。更重要的是，它的紧凑式设计允许被集成到分析仪器当中， 开辟了在生物光学和光谱学领域的新应用。 1 3 本文的内容及安排 本文研究了一种半导体激光器的激光电源，该激光电源具有如下特点： ( 1 ) 输出电流0 至5 a 培连续可调节； ( 2 ) 输出电压6 至1 5 v 连续可调节； ( 3 ) 输入电压范围2 4 v 6 v ； ( 4 ) 效率高达8 0 ，无电流冲击现象。 本文主要内容如下： 首先介绍恒流源系统的设计原理，从时域和频域上进行系统分析，阐述恒流源系 统的设计过程；提出了解决激光电源上电浪涌冲击的方法；进而根据模拟恒流系统的 构成原理提出数字恒流系统的设计思想，进行了i i r 数字滤波器的设计，为今后半导 体激光器恒流电源数字化奠定了基础；其次根据激光器工作波长随温度变化而变化的 特性，设计了温度控制系统，在温度控制系统之中，阐述p i d 控制的原理及实现过 程；介绍对温度采样的结果进行滤波的集体措施，研制了一种可在9 0 s 时间内将温 度控制在5 2 0 度的半导体激光器的温度控制系统。 2 第二章半导体激光器恒流源系统设计 为满足特定半导体激光器对激光电源的要求，进行了激光器电源的设计。在进行 系统设计之前，有必要对激光器的工作特性进行一定程度的了解。 2 1 半导体激光器的工作特性 为了方便对激光器工作时的电气特性进行分析，激光器的内部结构如图2 1 所示： 中 v 8 。 图2 。1 半导体激光器的结构简图图2 2 半导体激光器输出特性曲线 如图2 2 所示半导体激光器的工作特性和二极管十分相似，当驱动电流小于阈值 电流时，半导体激光器几乎不发光。当驱动电流大于阂值电流时，半导体激光器开始 发出明亮的光线，输出功率与驱动电流呈线性关系。其特性曲线如图2 2 所示，十分类 似于普通的半导体二级管伏安特性曲线( 实际应用中7 个半导体激光器串联在一起) 。 由图2 2 可以看出当电流达到阈值之后的直线斜率非常陡，这说明当激光器的功 率一定时，很小的电压变化就能产生很大的电流变化。激光器可通过的电流有最大限 制，如果承受的正向电流超出了它的允许最大电流值，会引起激光器的发光性能下降 甚至激光器的损坏，我们把短时间内电流过大的现象叫做过冲，这种现象一般出现在 电源开关的瞬间，虽然它只有几十或几百纳秒，但对激光器的使用寿命构成了严重威 胁。有鉴于此，半导体激光器需要一个恒流源系统作为驱动。该系统在上电的瞬间不 应存在过冲现象。 本设计采用2 级低漂移运算放大器，在系统中起到反向放大的作用，然后采用输 出电压可控的d c d c 电压转换器，以及采样电阻串联构成电流串联深度负反馈电路达 到恒流的目的。 3 2 2 半导体激光器恒流源系统组成 v ( s ) _ i + 图2 3 恒流源系统组成框图 恒流源系统包括2 级运放，第一级为反向放大器，第二级是同向放大器，v ( s ) 是由三端基准给出的参考信号。电流流经采样电阻形成反馈电压和三端基准给出的 参考电压进行比对，经放大器输出作为d c d c 电压变换模块的调节信号，从而改变 电源模块的输出。可见恒流的原理是通过对d c d c 电压模块的输出电压不断的进行 调整来实现的。 2 3d c d c 电压转换器工作原理 d c d c 电压转换模块的模型如图2 4 所示： 图2 4d c d c 电压转换模块示意图 系统设计中采用了d c d c 电压转换模块通过调节电压输出的手段来达到动态恒流 的目的。该d c d c 电压转换模块的电压输入范围是2 4 v _ - l - 6 v 。该模块属于三输入两输 出，输入端中间的引脚与地之间的电压低于1 v 该模块才能启动。模块的正向输入端与 中间引脚之间相当于开路，电阻无穷大，因此在中间引脚和地之间加入一个1 k 左右的 电阻就能满足模块正常启动的要求。 图中v a d j 是调节电压，经过实测，d c d c 电压转换模块的输出电压和输入的调节 电压之间存在下列关系，如表2 1 ： 4 表2 1 d c d c 电压转换模块工作特性 i r a d j 0 0 70 1 v0 2 v0 3 v0 4 v0 5 70 6 vo 7 v0 g 矿 v o u t6 o v6 5 v7 o v7 5 v8 o v8 b - v9 o v9 5 vl o v 7 a d i0 9 v1 2 v1 3 v1 4 v1 5 v1 6 v1 7 v1 8 v1 哪 v o u t 1 0 5 v12 v 1 2 5 71 3 v1 3 5 71 4 v1 4 5 v1 5 v l b v 为了直观的说明d c d c 模块的工作特性现绘制其输出特性曲线如图2 5 所示： 。u u t 6 v i 8 丫v 暑 图2 5d c d c 模块的输出特性曲线 输出电压v o 埘的范围是6 到1 5 v ，调节电压1 ，础的范围是0 到1 8 v 。根据图2 5 可 初步写出d c d c 模块输出电压和调节电压的关系式： r o u t = k d j + c 2 1 其中：是输出电压，v a d # 是调节电压；k 是固定比例系数，c 是常数。经测定k 的值是4 5 ，c 的值是6 。这里需要指出的是d c d c 模块本身并不是一个线性的系统， 但是当调节电压在0 到1 8 之间的时候，由于他的调节电压和输出电压存在线性关系， 所以在这一段上我们认为它是一个线性的系统，并且本文设计中也是要让该模块工作 在线性区域。 对( 2 1 ) 式进行拉普拉斯变换得： 荆2 器= 善( c ) e - d v 锁斛，) 由拉普拉斯变换的结果我们看出这是一个一阶的系统。在系统设计中我们把它理 解成一个放大器，其输出电压时对调节电压的线性放大即可。测得该模块的转折角频 率为6 7 x1 0 5r a d s 2 4 放大系统设计 放大系统传输函数 放大器的设计原理如图2 6 所示，第一级是反相放大器，第二级为同相放大器。 图2 6 放大系统组成原理框图 设杉代表取样电阻上的反馈电压，是由三端基准提供的参考电压，是经两级 放大h ，( s ) 、h 2 ( s ) 后的输出电压，也是d c d c 调节模块h ，( s ) 的输入电压。对于第一 级反相放大器写出它的传递函数： q g ) = k 。( 1 + 缈。) 2 1 其中k l = l + r 2 r 1 ，这里r 2 = 1 0 0 kq ；r l = 1 kq ，所以k 的近似值是1 0 0 。经实际 测量观察到转折角频率国，：三m d 占由此得反向放大器的系统传输函数： h l ( s ) = l0 0 ( 1 + s ，r 7 ) 2 2 同理我们将恐：1 0 kf , r 4 ：1 kq ，2 ：一7 0 加d s 代入第二级同相放大器的系统传 输函数中得到： h ：( s ) = l o o + s z c 7 0 ) 2 3 进而我们写出两级放大后的系统传输函数为： - ( s ) = q ) x 日： ) = 1 。 1 + 甍s 2 + 而1 1 愿】 2 4 2 4 1 放大系统时域分析 对式2 4 进一步整理得到： 6 h 岱) = 半笋 z s 5 + i ”7 从系统函数我们得出这是一个二阶系统的结论。对比二阶系统的一般系统传递函数 形式。 邮) _ 而s 急i+ 鲇c 仉5 + o ： 利用待定系数法整理求得珊。= 弛2 7 1 0 知善= 1 0 2 2 研究二阶系统的时 域响应，就是用拉氏变换求出系统的响应时间。对系统传递函数进行拉氏变换得： r p ) = 日p ) m p ) 。一i i ：；：j ! j ；。i 。：j ：7 ：；：磊 z ， 其中j = 撕= 再，。叫做系统的阻尼振荡频率。进而求得本系统的时域响应： 删肿一番洲廊俘1 孚， z s 现将矾、，、蛾的值代入2 8 式求得该系统的阶跃响应曲线如图2 7 所示： 土，二二 j ，一i f i i ，? y 一 1 “一 鼙产 7 k7 r l 1 - 一 ：z i 静 i ， 5，1 01 5 图2 7 放大器系统的阶跃响应曲线 其中k 表示系统的响应时间。由图27 我们可以看出随着f 逐渐增加，系统的响应 时间越来越慢，当掌大干0 8 的时候系统几乎不再出现冲击和振荡。在工程应用中取临 界阻尼系数掌= o 7 0 7 当f 0 7 0 7 时，系统阶跃响应，0 ) 不出现峰值，单调地趋于稳态值 磊擂平跽琵。 当孝= 0 7 0 7 时，调节时间最小，可以认为系统没有冲击； 当孝 k f狮d b l g c o 。一l g 哆 1 0 倍频程 求得： 一7 补偿极点国c 2 志凇d 7 s 求得补偿频率之后我们讨论用哪种方式对放大器进行补偿，常见的相位补偿方式 有以下几种： ( 1 ) 电容滞后补偿 1 0 ( 2 ) r c 滞后补偿 ( 3 ) 密勒扑偿 ( 4 ) 超前补偿 本文选择了r c 滞后补偿的相位补偿方式，由于第二个放大器决定了转折角频率 ，所以在r 。的两端并接一个电容c 。 根据补偿角频率q = v 月：【c + c _ j 将r = i o o k f l ，c = 0 1 # f 代入，求得c + = 1 0 矿 基于上述理论分析，最终成功研制出半导体激光器恒定电流源。模拟恒流源系统的 p c b 板图如图21 1 所示： 图21 l 半导体激光电源p c b 板图图21 2 半导体激光电源实物图片 在环境温度一4 5 度至5 0 度之间实测，系统上电瞬间半导体激光电源电流取样波形 如图2 1 3 所示： 图2 1 3 激光电源上电波形圈 上图证明经过深入的理论分析，最终设计成的半导体激光器恒流源系统在上电 的瞬间不存在过冲现象，即其上电的过程属于缓上电过程符合半导体激光电源的 设计要求。 第三章数控恒流源设计方法 3 1 恒流源系统的数学模型 由前两章的讨论我们可以对系统进行数学建模，进一步从理论上提出了数字恒流 源系统的设计思想。为了论述方便将图2 6 重画如下，并命名为图3 1 模拟恒流源系 统的数学模型如图3 1 所示： 图3 1 恒沉源系统的数学模型 其中h ，$ ) 是反相放大器的传输函数，h ：心) 是同相放大器的传输函数，乜 ) 是 d c d c 电压变换模块的传输函数。则稳态时通过半导体激光器两端的电流设为i 根 据图3 1 可知： i = k v r r d + 觑r + r r 】 其中k = k 。k 2 如、是三端基准给定的参考信号。若工程设计满足码 r d r ) i j j ：有i 只，也就是说可以认为流过激光器的电流和如无关。图3 1 所示电路近 似为恒流源。这里r ，的数值是0 1 ，k 。、k ：待定，实际测定k 3 的值是4 5a 经实际测 定，激光器在两端加6 1 5 v 电压时其上的电流值为0 4 a 培。考虑到阀值电流的影响， 激光器的内阻值在3 - 4 欧姆变化，也即如的值是3 4 欧姆。由k r ， r d 知放大倍数k 的取值应该在3 0 0 0 4 0 0 0 。 由图3 1 我们写出该系统的传输函数： 吃心) = v o ( s ) v ( s ) = 日， ) 凰 归，( s ) 1 + f h ， ) 日： 归。 ) 3 1 m f = r f ( r 。+ 髟) = o 0 2 5 在第二章我们已经知道日。心) = 1 0 0 ( 1 + s z c 7 ) ；h ：心) = 1 0 ( 1 + s 利7 0 ) ；而由于 1 2 d c d c 电压变换模块的转折角频率远远大于系统的带宽，所以分析时可以近似认 h 3 ( s ) = k 3 = 4 5 将h i ( s ) 、h 2 ( s ) 、h 3 ( s ) 、f 的值代入3 1 式求得该数学模型的系统传输函 数为： h 。( s ) = 1 印1 l s ；r + 丽s 2 7 - 2 ) 数控恒流源实际上是一个数字滤波器， 3 2 要进行数字滤波器的设计，先由相应的滤 波器设计指标，设计一个模拟滤波器，再根据模拟滤波器的传递函数，做相应的变换。 从而将连续的模拟信号转变成离散的数字信号；将模拟滤波器的传递函数转换成数字 滤波器的传递函数。 3 2 模拟滤波器设计 首先由模拟滤波器的传递函数反推出模拟滤波器的各项设计指标，对比模拟系统 实际测量的结果，说明模拟滤波器设计指标与系统之间存在足够的富余量。应用m a t l a b 对系统单位阶跃响应进行仿真，证明由模拟滤波器的传输函数见( s ) 得到的数字滤波器 传输函数日z ( s ) 而进行的数字滤波器设计能够满足系统的设计要求；并根据求得的数 字滤波器传输函数进行数字滤波器设计。 根据实际需要，应设计一个低通的巴特沃斯滤波器模型。这里说明模拟滤波器仿真 计算过程中使用的参数及其含义。 ：通带截止频率； f ：阻带截止频率； 口。：通带最大衰减系数； 吒：阻带最小衰减系数； 丘：3 d b 截止频率。 取口p 2 2 d b ，根据前文的讨论，系统的最大增益为2 0 1 9 4 0 0 0 = 7 2 d b ，取= 6 8 如。 输入正弦信号后，实测系统的通带截止频率兀1 0 0 h z ；阻带截止频率五为2 0 姚； 3 d b 截止频率丘为3 k h z 。这是模拟恒流源系统的实测结果。下面根据系统函数求出相 应模拟滤波器函数的各项指标。 1 3 对3 2 式的h a ( s ) 进行整理得： 见。卜礤一1 7 1 0 jji4 9 1 0 0j 3 3 对比相应的归一化巴特沃斯的传输函数 。( 力2 瓣i 3 4 并利用p ：工，求得：正= 7 0 0 而0 舷7 0 0 h z 而正= z 0 0 0 1 一l 声，其中n - 2 ，= 6 8 d b ，求得： z = 2 8 船珐，小于系统的实 际测量值。同理，根据五：6 0 唧一1 ) _ 击，求得厶= 1 9 5 勉这说明按照此传递函数设 计的低通滤波器通带、阻带指标均有富余量，是可行的。 根据、z 、a p 、即可进行该滤波器的m a t l a b 仿真。在m a t l a b 中的模拟滤波 器设计面板选则滤波器类型为低通；设计方法选i i r 滤波器巴特沃斯设计方法；根据 求得的结果，设定p 1 , a s s = 厶= 1 9 5 h z ：f s t o p = f ，= 2 8 k h z ：根据采样定理，采样频率乃 应大于2 倍的五，现设定为2 k h z ；通带最大衰减口口= 2 d b ，阻带最小衰 a , = 6 8 d b 。 得到模拟滤波器的仿真结果如图3 2 所示： o 1 0 2 0 耋二 r r _ t+ t 0 511 5 22 5 f r e q u e n c y ( k h z ) 图3 2 巴特沃斯滤波器幅频、相频特性仿真图 1 4 一 p 0 o - 一 图3 2 是利用传递函数反推滤波器设计指标之后，得到的模拟滤波器幅频特性 为了验证该模拟滤波器设计指标能否满足半导体激光电源的需要，对系统函数的单 位阶跃响应进行m a t l a b 仿真，执行程序： n u m = 1 ： d e n = 0 0 0 0 0 0 20 0 0 4 91 ： s t e p ( n u m ，d e n ) ： g r i do n ： x l a b e l ( t ) ：y l a b e l ( c ( t ) ) ： t i t l e ( u n i t - s t e pr e s p o n s eo fg ( s ) = i 0 0 0 0 0 0 2 s 4 2 + 0 0 0 4 9 s + 1 ) ： 得到图3 3 ，其中0 0 0 0 0 0 20 0 0 4 9 分别是将万值代入后j 2 以及s 项前的系数。 1 o 0 o 8 o 7 o 6 学 o 5 0 4 o 3 o 2 o 1 o oo o o 0 1o0 1 5o 0 2o 0 2 5 t ( s e e ) 图3 3 模拟滤波器的单位阶跃响应 图3 3 说明该模拟滤波器处于过阻尼状态，系统不存在冲击和振荡。利用该传递 函数进行数字滤波器设计，能够满足半导体激光器电源的设计要求。 3 3l ir 数字滤波器设计 通过对模拟滤波器的讨论即可进行i i r 数字滤波器的设计。i i r 数字滤波器的实 现方法又分脉冲响应不变法、双线性变换法等。由于双线性变换法简单、易行并且可 以直接由系统函数写出滤波器函数日( z ) ，其理论分析变得明确、快捷的原因，本系统 最终采用了这种方法设计i i r 滤波器。 双线性变换的基本思想是利用数值积分将模拟系统变换为数字系统。利用公式： l ，7 一l ( z ) = h o ( s ) l s = 导# 专了，并根据采样频率f s = 2 k h z 求得t = l 2 x 1 0 3s ； l 十z 进而求得数字滤波器的传输函数： 日( z ) ：0 0 1 9 + 0 0 38 f z - l + 0 0 19 r z - 一2 3 5 爿lz = = 一 、7 i i 1 7 9 z 一1 + 0 2 5 5 z 一 根据数字滤波器的传输函数日z ) ，进行数字滤波器m a t l a b 设计。在m a t l a b 中令函数a x i s 的各个参数为0 ，3 ，0 ，1 ；这四个参数分别代表数字滤波器幅频响应曲 线的x 轴最小坐标，最大坐标；y 轴最小坐标，最大坐标。 编程如下： m l = o 0 1 9 ，0 0 3 8 ，0 0 1 9 1 ； a d l = 1 0 0 0 ，一1 1 7 9 ，0 2 5 5 ； 【h 1 ，w d l - - 仔e q z ( b d l ，a d l ) ； s u b p l o t ( 1 ，l ，1 ) ，p l o t ( w d l ，a b s ( h 1 ) ) ，a x i s ( 0 ，4 ，0 ，3 】) 得到数字滤波器的归一化幅频响应曲线如图3 4 所示： 图3 4i i r 数字滤波器幅频响应曲线 依据双线性变换公式分析模拟角频率q 和数字角频率国的关系。由双线性变换法 的映射关系s = ；鲁舢= j f l z = e j 嗨 皿= 亍2 万1 - e - y ；进而q = 季t 觚三国，将t 代入得： q ：4 1 0 3 t 觚! 国 2 3 7 根据3 5 式写出i i r 滤波器的差分方程，设输入信号x ( n ) ，输出信号y ( 1 1 ) ，则： 少) = 0 0 1 9 x ( n ) + 0 0 3 8 x ( n - 1 ) + 0 0 1 9 x ( n - 2 ) + 1 1 7 9 y ( n - 1 ) - 0 2 5 5 y ( n - 2 ) 3 6 根据3 6 式绘制滤波器函数的网络结构图，如图3 5 所示： 1 6 z 图3 5f i r 滤波器网络结构图 根据3 5 给出的差分方程以及图3 5 即可通过单片机设计出f i r 滤波器。由此 完成数字滤波器的设计工作。 第四章温度控制系统的设计 4 1 温度控制系统要求 根据实际测试，半导体激光器在5 2 0 度的范围内可以正常工作其发光功率维持在 1 1 w 。当温度低于5 度，半导体激光器的波长变长，并且波长的漂移幅度很大。当温度 超过2 0 度半导体激光器的波长变化不明显，但是发光功率却显著降低。无论是波长漂 移，或者是输出功率降低都不能满足实际的需求，所以为了满足半导体激光器工作的需 要，同时设计了一种半导体激光器的温度控制系统。 该温度控制系统必须满足下列指标： l 、在5 度虬下，要求对半导体激光器进行加热： 2 、在2 0 度以上，要求对半导体激光器进行致冷： 3 、在5 度至2 0 度之间要求温度控制系统不工作： 4 、要求制冷器不工作的时候给出指示信号，表示半导体激光器处于正常环境温度下。 42 温度控制器件的选择 首先我们选取半导体制冷器t z 9 4 0 2 0 9 作为半导体激光电源的温控器件，这种半导 体制冷器的外观图片如图41 所示： 图41 t z 9 4 0 2 0 9 外观图片 半导体制冷器的优点是体积小，效率高；其功率大于5 0 w 可以满足半导体激光器 的需要。它的工作运转方式是使直流电流通过半导体制冷器两端，既可制冷又可加热， 通过改变直流电流的极性来决定在同一制冷片上实现制冷或加热，这个效果的产生就 是通过热电的原理，以下的图片就是一个单片的制冷片，它由两片陶瓷片组成，其中 间有n 型和p 型的半导体材料( 碲化铋) ，这个半导体元件在电路上是用串联形式连结 组成。当一块n 型半导体材料和一块p 型半导体材料联结成电偶对时，在这个电路中 接通直流电流后，就能产生能量的转移，电流由n 型元件流向p 型元件的接头吸收热 量，成为冷端由p 型元件流向n 型元件的接头释放热量，成为热端。吸热和放热的大 小是通过电流的大小以及半导体材料n 、p 的元件对数来决定。半导体制玲器t z 9 4 0 2 0 9 中包含了2 5 6 个p n 结。 n 型及 4 2 1 制冷器的工作特性 直流电源 图4 2 半导体制冷器工作原理 绝缘体 金属导体 该半导体制冷器工作在3 8 a 的时候效率最高，所以系统设计中采用3 8 a 电流作 为制冷器工作时的电流。半导体制冷器的工作特性有别于半导体激光器。半导体激光 器是6 个串联在一起，要7 v 以上的电压才能导通，7 v 在电压源调节区间之内。而半 导体制冷器的内阻随温度变化明显，并且导通电压为3 v ，远在电源模块的调节能力之 外。在大于导通电压的情况下，当温度不同时其上电的初始电流有很大差异。 通过实际的测量，当制冷器两端加6v 电压时，它初始上电的电流和温度对应关 系如下图所示。 u - - 6 v t - 2 0 0i - - 3 5 a t - - 1 0 0i = 3 6 a t _ - 0 0i = 3 7 5 a t = 1 0 0i = 3 9 9 a t - 2 0 0i 篁4 2 5 a t _ 3 0 0i = 43 7 a t = 4 3 0 电源保护 图4 3 制冷器初始电流与温度的对应关系 在外加6 v 电压，温度为4 3 度的环境下，半导体制冷器两端上电瞬间电流值即达 到电源输出模块的极限值，大于系统所采用的恒流值，并且引起电源模块自保护。也 就是说在温度低于0 度的情况下，即使电源模块输出最小电压，制冷器两端的电流值 也已经超出了所需要的恒定电流的大小，即无法采用输出电压变换的方式实现恒流。 为了直观的说明制冷器初始电流和温度的关系，采用描点法绘出下图： 1 9 l 震 4 3 7 4 2 5 3 9 ， 途 i i il - 4 0 3 02 0 1 0 日 1 02 0 t ，r 图4 4 制冷器温度内阻关系特性曲线 由上图可以很清楚的看到在4 0 度到2 0 度之间，半导体制冷器初始电流随温度降 低而线性增加。换言之随着温度的降低，制冷器等效内阻越来越小。当温度到达2 0 度 以上制冷器的等效内阻不再变化，恒定在3 欧姆左右。由于制冷器的等效内阻随温度 变化这种特性所限，考虑到电源模块的电压输出范围，在温度低于零度时不宜采用恒 流方式驱动半导体制冷器工作。 4 2 2 制冷器驱动电路设计 选定完制冷器之后接下来探讨怎样对制冷器电路进行驱动。制冷器的驱动方式有 几种，其中，一种办法是使用继电器来驱动制冷器工作，但是继电器体积大，很占用 空间；还有一种办法是使用场效应管来驱动，因为相对来说场效应管很小，满足设计 要求，并且所选取的场效应管必须满足下列条件： ( 1 ) 可以通过3 8 a 以上的电流，因为制冷器两端恒流工作时的电流在3 8 a ( 2 ) 内阻尽量小，通过场效应管的电流高达3 8 a ，如果管子的内阻太大会导致管 子两端的功耗非常高，易烧损。 ( 3 ) 反向击穿电压y 。尽量大，因为电源模块的调节有一定的范围，必须保证整 个可调电压范围内管子都不击穿。 系统设计中选取的场效应管可工作在5 5 度至1 5 0 度之间，满足系统对器件工作环 境温度的要求；其。的极限值高达_ + 2 0 v ，满足系统输出电压对器件的要求；管中可 通过的电流，n 高达1 2 a ，满足系统对器件可承受电流的强度要求；导通电阻最大只有 0 0 2 q ，当通过3 8 a 电流的时候功耗小于0 4 w ，而该型场效应管的额定功率为1 2 5 w ， 可以满足系统的设计要求。 对于场效应管的控制系统设计上利用光电耦合器完成。下文简单介绍一下光电耦 合器的工作原理。 光电偶合器件( 简称光耦) 是把发光器件( 如发光二极管) 和光敏器件( 如光敏 三极管) 组装在一起，通过光线实现耦合构成电一光和光一电的转换器件。光电耦合 器分为很多种类，系统设计中采用了t l p 5 2 1 ，t l p 5 2 1 能起到地隔离和抗干扰的作用。 其在传输信号的同时能有效地抑制尖脉冲和各种干扰，主要有以下几方面的原因： ( 1 ) t l p 5 2 1 输入阻抗很小，只有几百欧姆，而干扰源的阻抗较大，通常为几千 k q 到几m r 2 不等，据分压原理可知，即使干扰电压的幅度较大，但馈送到光电耦合 器输入端的干扰电压会很小，只能形成很微弱的电流，由于没有足够的能量而不能使 二极体发光，从而被抑制掉了。 ( 2 ) t l p 5 2 1 的输入回路与输出回路之间没有电气联系，也没有共地；之间的分布 电容极小，而绝缘电阻又很大，因此回路一边的各种干扰信号都很难通过光电耦合器 馈送到另一边去，避免了共阻抗耦合的干扰信号的产生。 另外t l p 5 2 1 还有两个优点： ( 1 ) t l p 5 2 1 可起到很好的安全保障作用，即使当外部设备出现故障，甚至输入信 号线短接时，也不会损坏仪表。因为光耦合器件的输入回路和输出回路之间可以承受 几千伏的高压。 ( 2 ) t l p 5 2 1 回应速度极快，其回应延迟时间只有1 0 p s 左右，适于对回应速度要求 很高的场合。 一 这也是系统采用t l p 5 2 1 作为场效应管控制电路组成器件的原因。下图为t l p 5 2 1 的内部结构图： 图4 7 t p l 5 2 1 内部结构图 当电信号送入t l p 5 2 1 的输入端时，发光二极管通过电流而发光，光敏元件受到光 照后产生电流，c e 导通；当输入端无信号，发光二极管不亮，光敏三极管截止，c e 不通。也即当输入为低电平“0 ”时，光敏三极管截止，输出为高电平“1 ”；当输入为高电 平“1 ”时，光敏三极管饱和导通，输出为低电平“0 ”。 至此制冷器驱动电路设计完成。其原理如图4 8 所示： 虹咄 l 缸 向 廿叫 蚀 叮 ；一。 图48 制冷器驱动电路 如图v o u t 代表d c d c 模块的输出电压，v c c 则表示单片机电源电鹾，t p l l 等表 示光电耦合器，i r f 7 4 1 6 和1 r f 7 4 1 3 是场效应管。 当单片机i 0 1 引脚输出高电平的时候t p l i 胛l 2 均不导通因此a 点电压和电源 模块的输出电压相等，i r f 7 4 1 62 处于不导通状态；d 点位为0 i r f 7 4 1 31 也处于关 闭状态。反之若i o1 输出低电平，则t p l l 和t p l 2 均处于导通状态，此时a 点电位 为0 ，d 点电位为电源模块的输出电压。由i r f 7 4 1 61 以及1 r f 7 4 1 32 组成的回路处于 导通状态，另两个场效应管组成回路的分析与此原理相同。 这里需要指出两点： 第一确保两组场效应管不能同时导通，这可以通过上电初始化过程中将l j o 1 和i o2 同时拉高来实现： 第二确保场效应管工作在饱和状态，如果工作在放大状态，过大的热 量将烧坏器件，这可以通过合理的选取岛至& 的阻值做到。考虑到光电耦合器的电 流传输系数是5 0 ，v o u t 的最大值是1 5 v ，实际应用中选取r i = r 4 = 15 k ，其他四个电 阻为1 3 k ，且f 0 1 输出为0 电平有如下方程： ，= ( p r c c k ) ，置 i 口= 出l = ，d r 2 其中。i ，是通过光电藕合器两端的电流 4 1 42 43 v 。是两片电耦合器导通所需要的结压降； i 。是i 0 1 输出低电平时d 点的电流强度；v o 是i o l 输出低电平时d 点的电位：p 是 光电耦合器的电流传输系数。将v 。= 14 v ，p = 5 嘶代入，由4 2 式解出v n = 1 56 v 太于电源模块的输出电压，这可以保证场效应管工作在饱和区。 蓉i f争生山#业 生 一竺 厂m r 翟 厂【l止 4 3 温度采集电路设计 温度控制系统中，需要适当的温度传感器作为温度指示器件，常用的温度指示器 件有集成的数字芯片，铂电阻等等。由于集成数字芯片响应速度慢，体积大，本系统 采用p t l 0 0 作为温度指示器件，p t l 0 0 的温度系数为0 3 8 5 当温度为o 度时，其阻值是 1 0 0 欧姆，温度每上升一度，阻值增加0 3 8 5 欧姆。在系统设计中需要将p t l 0 0 的阻值 变化转变成相应的电压变化，再通过单片机的a d 转换成数字量，最终由单片机存储 单元中的数据计算出相应的温度变化。这就要求通过p ，1 0 0 两端的电流是恒定的。 需要指出的是e , 1 0 0 的恒流源电路中的恒流值不需要改变，因此通过恒定电压与固 定电阻即可实现电流的恒定。实际设计中采用了以下电路作为p t l 0 0 的恒流源电路，如 图4 4 所示： 图4 9 铂电阻恒流源设计 如上图所示，铂电阻的恒流源电路由低漂移运算放大器，三端基准l m 4 0 5 0 ，以及p n p 三极管构成。 l m 4 0 5 0 如果不外加电阻，其基准电压为2 5 v ，可以工作在- 4 0 度至1 2 5 度之间， 工作电流范围很宽，为6 0 倒至1 5 m a 之间。其内部结构等效为下图： + 图4 1 0 l m 4 0 5 0 内部结构 l m 4 0 5 0 利用二级管的反向击穿电压工作。在使用中3 脚必须悬空或者与2 脚相接。 如图4 9 设放大器5 脚的输入电压为比，则： 吆= 一 是三端稳压器的基准电压为2 5 v ，低漂移运算放大器构成了电压跟随器。利 用放大器的虚短原理，6 脚的电压和5 脚相等，则三极管的发射极电压 2 3 = + 是三极管的结压降。设电阻r l 2 两端的电位差 咋= 一= 1 8 v 可见电阻r 比两端的电压是固定的，即无论电源电压怎样波动，都不会对r l 2 两端 的电位差产生影响。三极管导通的状态下通过r l 2 的电流近似等于通过p t l 0 0 的电流， 这个电流也是恒定的。此外要考虑三极管的静态工作点保证c 、e 两级之间的压降大 于l v 根据观察选取r l 2 的阻值5 1 0 欧姆。虽然随着温度的变化，电阻凡z 的阻值会 有细微的变化，三极管的解压降也要考虑温度的影响因素，但是这两个变化的方向正 好相互抵消。 4 4 温度控制电路设计 本系统中采用高集成度单片机a d u c 8 3 1 作为核心控制器件。a d u c 8 3 1 具有8 路 1 2 位a d 采集通道，2 路1 2 位d a 输出通道。 系统设计中用到了两路a d ，一路a d 采集p t l 0 0 两端电压进行温度的检测，一 路a d 采集采样电阻两端电压检测恒流源电流。采用一路d a 作为控制信号，调节电 源模块的输出电压。由于参考电压是25 v ，也就是说d a 的最大输出是25 v ，这正好 可以完全包含0 - 18 电压转换模块的可调区间。另外由于单片机本身不能上电复位，需 要一个简单的上电复位电路，以及和上位机通讯的m a x 2 3 2 接口。单片机硬件接口电 路如图41 1 所示： 图4l l 单片机硬件连接原理图 其中1 脚为a d 引脚，9 脚为d a 引脚 a d u c 8 3 1 只需在初始化程序中配置用来控制a i d 以及d a 工作状态的控制字的 地址，配置方式是向该地址写入1 6 进制代码的控制字。控制字由8 个位组成程序可 “ 以对每个位进行单独的位操作。下面详细介绍这些控制字的配置过程： a d u c 8 31 中用来配置a d 和d a 的控制字分别是a d c c o n 1 ，a d c c o n 2 ，a d c c o n 3 。 其内部结构如表4 1 所示： 表4 1a d u c 8 3 1 特殊功能寄存器内部结构表 a d c c o n l - 7a d c c o n 2 7乌l d c c o n 3 7 a d c c o n l 6a d c c o n 2 6a d c c o n 3 6 a d c c o n l 5 a d c c o n 2 5a d c c o h 3 5 , 6 ) c c o n l 4乌d c c o n 2 4 d c c o h 3 4 直d c c o n l 3a d c c o n 2 3 a d c c o n 3 3 a d c c o n l - 2, d , d c c o n 2 2鱼d c c o n 3 2 a d c c o n l 1a d c c o n 2 1 a d c c o n 3 1 a d c c o n l 0a d c c o n 2 0 d c c o n 3 0 控制字a d c c o n l ： a d c c o n l 的地址是