（电路与系统专业论文）小功率半导体激光的数字调节与稳定控制系统的研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

华南师范人学硕上研究生毕业论文 摘要： 小功率半导体激光 的数字调节与稳定控制系统的研究 专业：电路与系统 姓名：向燕 指导老师：孙番典 智能仪器的出现，极大地扩充了传统仪器的应用范围。智能仪器凭借其体积 小、功能强、功耗低等优势，迅速地在家用电器、科研单位和工业企业中得到了 广泛的应用。本论文从仪器智能化的角度出发，提出了一种数字调控电阻的方案， 并将其应用到控制在小功率半导体激光二极管的稳定控制方面。 本文着重整体系统的控制，内容主要分三个部分：数字调节变阻电路利用单 片机控制压控电阻，从而实现电阻可变可调；数字调节变阻电路用于控制半导体 激光二极管( l d ) 电流稳定控制系统，实现了数字控制l d 的工作电流的功能；设 计了一个精密温控电路和物理系统。在数字调节可变电阻电路中，a t 8 9 s 5 2 作为 控制器，通过软件控制压控电阻实现电阻可变。将这个变阻电路运用到l d 激光 稳定控制中，它通过改变电阻调节l d 电流电路中基准电压，从而可以数字调控 l d 的工作的电流。l d 的输出频率受温度影响大，在温控部分引入了锁相放大、 p i d 补偿网络来提高系统的稳定性。数字调节可变电阻电路的引入使得传统的l d 稳定控制电路在数字化和智能化更进一步。 实验证明本论文设计的数字调节可变电阻电路输出稳定，输出电阻值与预设 参数的误差在1 以内。引入数字调节可变电路之后的l d 工作电流稳定控制变 得实用、易于操作。测量工作电流的稳定性结果显示，电流稳定在- i - l l 卅。精密 温控电路在实验中起到了良好的保温左右，测量结果显示双层温度波动范围在 华南师范大学顶卜研究，毕业论文 0 0 3 。c 。 关键词：a t 8 9 s 5 2 、压控电阻、锁相放大、半导体制冷器 i i 华南师范人学硕：e 研究生毕业论文 r e s e a r c ho ndigit ai r e g u ia t e a n d s t a biec o n t r oicir c uit so fl o wp o w e rl a s e rdio d e a b s t r a c t m a j o r ： n a m e ： s u p e r v i s o r ： c i r c u i t sa n ds y s t e m s y a nx i a n g f a n d i a ns u n t h ea p p l i c a t i o no ft r a d i t i o n a li n s t r u m e n th a sb e e n g r e a t l ye x t e n d e da f t e rt h e i n v e n t i o no fi n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n th a sb e e nw i d e l ya p p l i e di n e l e c t r i ca p p l i a n c e s ，r e s e a r c hi n s t i t u t i o n sa n di n d u s t r i a l c o r p o r a t i o n sb e c a u s ei t s a d v a n t a g e so fs m a l lv o l u m e ，m u l t i f u n c t i o n sa n dl o wp o w e rc o n s u m p t i o n s t a r t i n g w i t hm a k i n gi n s t r u m e n ti n t e l l i g e n t i z e d ，t h i sp a p e rd e s i g n sad i g i t a lc o n t r o l r e s i s t o r a d j u s t a b l e c i r c u i tw h i c hi su s e di ni n t e l l i g e n t i z e dc o n t r o lo fs e m i c o n d u c t o rl a s e r d i o d e sw o r k i n gc u r r e n ta n dd e s i g n sa n dw o r k so u ta p r e c i s et e m p e r a t u r ec o n t r o l c i r c u i to fs e m i c o n d u c t o rl a s e rd i o d e t h i sa r t i c l ef o c u s e do nt h eo v e r a l ls y s t e mo fc o n t r o l ，m a i n l yi nt h r e ep a r t s ： m i c r o c o n t r o l l e rr e g u l a t e dt h ev o l t a g ec o n t r o l l e dr e s i s t a n c ei n d i g i t a lr e g u l a t i n g v a r i a b l er e s i s t a n c ec i r c u i t ，w h i c hm a d er e s i s t a n c et oa c h i e v ea d j u s t a b l ea n dv a r i a b l e l dc i r c u i th a sb e e na u t o m a t i ca d j u s t m e n ta f t e rd i g i t a lr e g u l a t i n gv a r i a b l er e s i s t a n c e c i r c u i tu s e di nc i r c u i ts t a b l ec o n t r o lc i r c u i t d e s i g nah i g ha c c u r a t et e m p e r a t u r e c o n t r o lc i r c u i t a t 8 9 s 5 2a sac o n t r o l l e r ，t h r o u g hs o f t w a r ec o n t r o lv o l t a g e c o n t r o l l e d v a r i a b l er e s i s t a n c et oa c h i e v er e s i s t a n c ei nt h e d i g i t a lc i r c u i tv a r i a b l er e s i s t a n c e r e g u l a t i o n t h i sc h a n g ew i l la p p l yt ot h ec i r c u i tr e s i s t a n c el dl a s e rs t a b i l i t yc o n t r o l ， a d j u s ti tb yc h a n g i n gt h el dc u r r e n tr e s i s t a n c ei nt h er e f e r e n c ev o l t a g ec i r c u i t ，w h i c h i i i 华南师范大学硕i j 研究生毕业论文 c a nc o n t r o lt h en u m b e ro ft h ec u r r e n tl d l do u t p u tf r e q u e n c ya f f e c t e db y t e m p e r a t u r e ，t h et e m p e r a t u r ec o n t r o lp a r to ft h ei n t r o d u c t i o no f al o c k - i na m p l i f i c a t i o n ， p i dc o m p e n s a t i o nn e t w o r kt oi m p r o v et h es t a b i l i t yo ft h es y s t e m d i g i t a lc i r c u i t s r e g u l a t et h ei n t r o d u c t i o no fv a r i a b l e r e s i s t o r sm a k e st h et r a d i t i o n a ll ds t a b i l i t y c o n t r o lc i r c u i t si nt h ed i g i t a la n di n t e l l i g e n tf u r t h e r t h i se x p e r i m e n tp r o v e dt h a td i g i t a lr e g u l a t i n gv a r i a b l er e s i s t a n c ec i r c u i to u t p u t s t a b l e ，a n dt h ed e f a u l tv a l u eo fo u t p u ti sr e s i s t a n c ep a r a m e t e r so fe r r o ro fl e s st h a n1 l dc u r r e n ts t a b i l i t yc o n t r o lw o r kh a sb e c o m ep r a c t i c a l ，e a s yt oo p e r a t ea f t e r i n t r o d u c t i o no fd i g i t a la d j u s t m e n tv a r i a b l er e s i s t a n c ec i r c u i t c u r r e n ts u r v e yr e s u l t s s h o wt h a tt h es t a b i l i t y ，t h ec u r r e n tf l o a ta ta b o u t 11 卅p r e c i s et e m p e r a t u r ec o n t r o l c i r c u i ti nt h ee x p e r i m e n tp l a y e dag o o di n s u l a t i o na r o u n d ，t h em e a s u r e m e n tr e s u l t s s h o wt h a td o u b l e t e m p e r a t u r ef l u c t u a t i o n s t e m p e r a t u r ef l o a ti nt h e0 0 3 。cr a n g e k e yw o r d s ：a t 8 9 s 5 2 ，v o l t a g ec o n t r o l l e dr e s i s t a n c e ，l o c k i na m p l i f i e r , t e c i v 华南师范大学学位论文原创性声明 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 ：迂不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。 本人完全意识到此声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名：伺拯讫义丫 ：有佥铂：7 食f 俨 日期：多咿g 年，月彳d 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解华南师范大学有关收集、保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南师 范大学。学校有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版，允许学位论文被检索、查阅和借阅。学校可以公布学 位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印、数字化或其他 复制手段保存、汇编学位论文，( 保密的论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在年后解密适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权 书。 论文作者签名： 侗毒， 日期：m 年j 月；9 日 导师签 日期：纠窖年r 月孑口e t 华南师范大学硕十研究生毕q k 论文 绪论 智能仪器的出现，极大地扩充了传统仪器的应用范围。智能仪器凭借其体 积小、功能强、功耗低等优势，迅速地在家用电器、科研单位和工业企业中得到 了广泛的应用。8 0 年代，微处理器被用到仪器中，仪器前面板开始朝键盘化方向 发展，测量系统常通过i e e e 一4 8 8 总线连接。9 0 年代，仪器仪表的智能化突出表 现在以下几个方面：微电子技术的进步更深刻地影响仪器仪表的设计；微型机的 发展，使仪器仪表具有更强的数据处理能力；v x i 总线得到广泛的应用。近年 来，智能化测量控制仪表的发展尤为迅速。国内市场上已经出现了多种多样智能 化测量控制仪表，例如，能够自动进行差压补偿的智能节流式流量计，能够进行 程序控温的智能多段温度控制仪，能够实现数字p i d 和各种复杂控制规律的智能 式调节器，以及能够对各种谱图进行分析和数据处理的智能色谱仪等瞳1 。国际上 智能测量仪表更是品种繁多，例如，美国h o n e y w e l l 公司生产的d s t j 一3 0 0 0 系列智 能变送器，能进行差压值状态的复合测量，可对变送器本体的温度、静压等实现 自动补偿，其精度可达到0 1 f s ；美国f o x b o r o 公司生产的数字化自整定调节 器，采用了专家系统技术，能够像有经验的控制工程师那样，根据现场参数迅速 地整定调节器。 激光具有好的方向性、高亮度以及良好的单色性和相干性等很突出的优异特 性，使得它在现代科学技术各个方面发挥了独特的作用，已经遍及工业、农业、 军事、通信、医学和科学研究等诸多领域3 1 。但在实际的应用当中，半导体激 光二极管的工作波长与其工作温度、注入电流之间有着强烈的依赖关系。例如， 对近红外线半导体激光二极管，工作温度引起的变化约为0 3 n m k ，注入电 流引起的变化约为0 0 3 n m m a 5 1 ；同时，工作温度和注入电流的变化还会导致 半导体激光二极管输出功率的不稳定。因此对半导体激光二极管的温度、电流加 以控制是一个必要的过程，使半导体激光二极管的频率、功率稳定，符合实际的 应用。 半导体激光二极管的输出频率和功率易受到其注入电流和工作温度的影响， 为l d 设计一种精密、实用、便于操作的稳定控制电路有利于激光应用到更广泛 华南师范大学硕 = 母f ，z 生毕业论文 的范围。故，本论文要做的工作便是如何稳定而智能地控制半导体激光二极管的 工作电流和工作温度。在这之前亦有文章研究过激光器的工作电流控制，但都停 留在手动操作层面。本论文所做的具体工作就是设计并制作数字调节l d 工作电 流电路和数字调节l d 高精度温度控制电路。这主要体现在智能地搜寻并锁定半 导体激光二极管的电流工作点及精密的控制半导体激光二极管的工作温度。 2 华南师范大学硕七研究生毕业论文 1 1 设计思路 1 1 1 硬件设计思路 数字可调变阻电路的设计 采用a t 8 9 s 5 2 单片机、压控电阻( v o l t a g ec o n t r o l l e dr e s i s t a n c e 简称v c r ) 、 d a 、a d 等来实现系统的搭建；通过软件编程控制阻值输出。数字可调变阻电 路的设计框图如1 1 所示。 l 键盘输入1 a ，d l a t 8 9 s 5 2 ll c 。显示b 刊。腿h 压控电阻 图1 1 数字可调变阻电路硬件设计框图 它的工作原理如下：单片机a t 8 9 s 5 2 是该系统的控制器。它从键盘读取预设 参数然后控制压控电阻的输出阻值。压控电阻的输出阻值送给l c d 显示，同时反 馈给单片机a t 8 9 s 5 2 。压控电阻受控于模拟信号，而单片机输出数字信号，这个 数值必须经过d a 转换后才能成为压控电阻的控制信号。那么反馈信号则是需要 经过a d 转换成数字信号传给a t 8 9 s 5 2 “1 。这样就形成了闭环控制电路，理论上 能得到较理想的控制效果。 1 i 2 软件设计思路 软件设计思路如框图i 2 所示： 3 华南师范人学硕一i ：研究生毕业论文 图1 2 数字可调变阻电路软件设计框图 由上图可看出软件设计可分为三个模块： 1 、压控电阻控制模块：单片机专d a 专压控电阻 a t 8 9 s 5 2 不断地扫描键盘，看是否有预设参数输入。从键盘输入的这个预设 参数大小等于压控电阻的输出电阻值。若输入的这个参数合法，单片机就读取这 个键值，否则就提示出错，需重新输入。获取预设参数后，单片机将其转换成相 应的数值信号。数值信号再经过d a 转换成模拟电压信号，这个模拟电压信号就 是压控电阻的控制信号，它决定了压控电阻的电阻值。至于由预设参数如何转换 成相应的压控电阻控制信号将在1 4 节中具体介绍。这个对应关系可以对压控电 阻定标获得。 2 、输出阻值的反馈模块：压控电阻专a d 专单片机 由图1 2 看出这个模块与压控电阻控制模块构成了闭环控制系统。取压控电 阻上的电压和电流作为闭环反馈信号。电压与电流的相除得到的就是电阻值。因 为电压值与电流值均为模拟量，所以都需经过a d 转换成数值反馈给单片机。 3 、显示模块：单片机- ) l c d ，压控电阻 - ) l c d 单片机读取预设参数后送l c d 显示，压控电阻的输出阻值也送给l c d 显示。 1 2 数控可调变阻电路的硬件设计 数字调节可变电阻电路由a t 8 9 s 5 2 、压控电阻、d a 、a ，d 、l c d 等元件组 成。在介绍硬件设计之前简单讨论下压控电阻以及d a 、a d 的选择。 4 华南师范大学硕l 研究生毕、1 2 论文 1 2 1 压控电阻的定标 结型场效应晶体管( j f e t ) 有截止区、夹断区和三极管区( 可变电阻区) 三 个工作区。当j f e t 工作在三极管区( 或可变电阻区) 时，其漏源之间的沟道电阻 与栅源电压有关，相当于一个压控电阻( v o l i a g ec o n t r 0 1 1 e dr e s i s c o r s ) 1 7 - 8 1 0 变电 阻区的工作条件是源、漏之间有连续沟道，即满足( 以p 沟j f e t 为例) ，i i 哆岳 ， 者 多多 沙 r 。 ，一 j 一 _ 一 一2 ，5 v 一缓 多 _ ， _ _ _ l 一 一一3 0 v 孑 童 兰 苎 d 量 色 o 9 。v ：0 vf ，x r r ， ， ，沙， 一一2 0 v 沃，一，一 ， 【、， j ：墨j 澎 ， ， 一少 、 一 ，r i ， 一4 0 l 乡 厂 一一一 一一 功玖，。，一。 彤一 - ，_ v，棚= - 4 2 v 一 m u q 2u u ，廿u 51u口1g 2u 4u u o v 曲一d r y - , s o u r c e 蝴a g mv r a d m h 6 0 u r o ov 忡v 图1 4v c r 特性曲线图 由图1 4 可以看出，在下2 5 。c 时，虽然不同的( 曩惫喇y惫烧y 矿冷藉 ，| 争i 。一 3 1 图珀尔帖效应原理图 是指把1 块p 型半导体和1 块n 型半导体连成热电偶对回路，给回路通直流 电源，在外电场作用下，p 型半导体在上接点处的空穴，需要从环境中吸收热量完 成能级跃迁，来形成空穴在p 型半导体内的定向流动，空穴流到达下接点处后，恰 恰相反，需要释放掉多余能量，进入到金属片中。而n 型半导体，其载流子是电子， 它与p 型半导体的情况刚好相反，即形成在下接点处吸热，上接点处放热。若外 电场作用，使回路中载流子定向流动持续下去，就会使这两块半导体块的上空间温 度降低，形成冷端，下空间温度升高，形成热端。热电偶对的哪一端为吸热端或放热 端由电流的方向决定，且吸收热量和放出热量的大小由电流大小决定。而制冷效 率的高低取决于半导体材料的热电转换效率即优值系数z ( 载流子浓度和温度的 函数) 和冷热端的散热效果。图3 2 所示为常用半导体制冷片连接电路。 葺型及p 型 3 2 温度传感电路 直流电源 图3 2 半导体制冷器连接电路 绝缘体( 陶 瓷片) 金属导体 温度探测电路其实就是一个平衡桥电路如图3 3 。在本论文中，温度探测电 路是把反应温度变化的热敏电阻的电阻值转变为电压值。尺：是设置温度的电阻， 1 5 华南师范大学硕l j 研究生毕业论文 通过改变其阻值设定不同的半导体激光二极管的工作温度。其原理是：当 孚；拿时，电桥平衡，电桥的两个端子输出电压差为零。现在取尺。= r ，故当 尺2尺4 。 r ：= 尺。时电桥平衡。具体到温度控制这个电路中就意味着电阻尺：大小等于热敏 电阻感知温度反应出来的阻值。若温度不等于设定温度，热敏电阻反应出来的阻 值将不等于电阻尺，那么电桥两个端子之间的电压差不为零，将这个输出信号 作为稳定控制信号驱动半导体制冷器工作加热或制冷。对热敏电阻进行定 标，绘出t r 曲线，就可以知道设定温度t 所对应的热敏电阻的值，即尺：的值。尺。 是热敏电阻，这个电阻需要根据不同的精度要求选择不同材质和不同形状的电 阻。为了提高系统的精度，r 。、尺，必须使用高精度的电阻，而尺：使用高精度的 1 0 圈电位器。 图3 3 温度探测电路 根据热敏电阻阻值随温度变化的不同，热敏电阻分为“正温”和“负温”两 种。“正温”热敏电阻的阻值随温度的升高而增加；“负温 热敏电阻的阻值随温 度的升高而减少。本文中选用“正温”热敏电阻。 所选取的热敏电阻的外形要十分注意。热敏电阻有很多种，外形也各有不同， 本文中所要选取的是片状热敏电阻，该热敏电阻表面积要求比较小，表面越平越 薄越好。将热敏电阻贴在被控制的物体的表面，以感应测试被控制的物体的表面 温度。因此，需要选取薄的片状的热敏电阻，这样热敏电阻两面的温度差就不至 于太大，影响阻值随温度变化；而且热敏电阻的表面越平越好，这样就能够更好 1 6 华南师范大学硕：f = 研究生毕业论文 地接触被控制的物体的表面。热敏电阻将温度信号转变为电阻，再通过温度探测 电路将这个温度信号转变为电信号，故对热敏电阻进行定标。其测量结果见第 4 3 章节。 3 3 外层温度控制电路 整个温度控制电路主要是利用半导体制冷器正向导电制冷，反向导电生热来 进行温度控制。其设计思路如图4 4 示。热敏电阻作为温度传感电路平衡电 桥的一个桥臂，紧贴在半导体激光二极管的激光座表面。它阻值随温度变化而变 化。当半导体激光二极管( l d ) 温度变化时，引起热敏电阻阻值的变化，导致 电桥不平衡，产生一个变化的电压。该电压与温度设置参考电路电压相比较，经 放大电路放大后再经电压跟随电路，使电路输出电压的波动值与温度传感器探测 到的工作温度波动值成正比，经电压比较器，经由半导体制冷器驱动电路控制半 导体制冷器进行制冷或加热，从而达到初步稳定内层温度控制电路的外部工作温 度的目的【2 2 1 。 热敏电阻 桥式 ld 温度 传感 电路半导体 制冷器 ( t e c ) 图3 4 外层温度控制电路设计框图 图3 4 外层温度控制电路的电路图。其工作原理是：通过调节可变电阻尺：设 定半导体激光二极管( l d ) 的工作温度，足的阻值可查阅热敏电阻定标t - r 曲线 图表，查出相应的具体数值。加载在尺。、r 2 上的3 0 v 电压，通过尺1 、r ：分压 在i c 块a d 6 2 0 的正输入引脚3 端得到一个固定的电压。热敏电阻r 。贴在l d 内 层以外温控电路的散热片上( 具体位置可在附录l d 温度控制电路物理结构图查 询) 。热敏电阻的阻值会随着温度的变化而变化。在热敏电阻的阻值没有等于电 阻尺：的阻值之前，i c 块a d 6 2 0 的正负输入端2 、3 脚之间始终有电压差，即a d 6 2 0 1 7 华南师范大学硕卜研冗生毕q 2 论文 始终有输出信号。这个输出信号通过o p 0 7 组成的电压跟随器隔离之后，再经由 o p 0 7 组成的电压比较器来驱动半导体制冷器。这里要说明下o p 0 7 电压跟随器的 作用。当i c 块o p 0 7 正输入端3 脚的输入电压跟零电位比较，如果2 、3 脚电压 差为正，那么电压比较器输出+ 1 5 矿，反之电压比较器输出一1 5 矿。 外层温度控制电路要求温度低，散热快，要求半导体制冷器制冷或加热反应 迅速，故它的驱动电流很大，在5 a 左右。a d 6 2 0 的输出信号通常电流很小，经 过t i p l 4 2 、t i p l 4 7 放大之后使得达林顿管t i p 3 5 c 、t i p 3 6 c 处于饱和状态，使得 加在半导体制冷器电压为1 5 v ，工作功率保持在7 0 w 左右，这样就解决了t e c 供电电流不足导致功率不够的问题。半导体制冷器有足够大的功率就可以迅速地 散出内层温度控制电路的热量。 当外层温度高于设定温度，a d 6 2 0 输出正电压，控制达林顿管t i p l 4 2 、t i p 3 5 c 导通使得半导体制冷器制冷；反之达林顿管t i p l 4 7 、t i p 3 6 c 导通，半导体制冷 器加热。这样就是内层以外的环境温度处于一个动态的恒温状态，稳定始终围绕 设定的温度值上下浮动。外层温度测量结果见4 3 章节。电路如图3 5 所示。 图3 5 外层温度控制电路设计图 1 8 华南师范大学硕i = 研究生毕业论文 3 4 内层温度控制电路 内存温度控制电路主要是实现l d 工作温度稳定的功能，它并不需要很大的 功率。它跟外级温度控制电路最大的不同就在于增加了锁相放大、p i d 电路以提 高控制的精度。 图3 6 是内层温度控制电流的设计思路。热敏电阻将内层温度反馈到输入 端。这个反馈信号跟内层温度设定电压差分放大后经锁相放大与缓冲隔离后送入 p i d 控制网络进行温度补偿，最后驱动半导体制冷器工作。 图3 6 内层温度控制电路设计框图 3 4 1 锁相放大器的设计 外层致冷器的负载 锁相放大是指，在温差信号上加上一个稳定的方波信号，再送到差分放大电 路进行放大，放大后进行解调，经过解调能得到经过调制的信号，有效去除外来 噪声。下面介绍主要的实现方法。 在这里用到了方波发生芯片c d 7 4 h c 4 0 6 0 ，下图为其引脚图 1 9 华南师范大学硕：l - 研究生毕业论文 其典型接法如图3 8 图3 7c d 7 4 h c 4 0 6 0 管脚图 l1 6t i ， q 1 2 v c c 1 5 l一 q 1 3q 1 0 3 14 1 ic 2 4 q 1 4q 8 i3 虹牟 5 q 6q 9 1 2 6 q 5 m r l l 7 q 7 o l 9 1 0r 9o r l h k - 1 jic4ii 8 q 4 0 0 g n do o l 图3 84 0 6 0 典型接法 其功能是把所接入的晶振进行分频，不同输出引脚输出不同分频倍数的方 波，方波幅度取决于正负电源，本设计选取了引脚q 1 0 ，频率约为3 3 h z ，幅度为 + 5 v 的方波作为调制信号。 同样用电桥检测电路做温度检测电路，但与图4 5 不同的在于正负电源处， 电桥的正电源我们用+ 5 v 的调制方波，负电源处接地。电桥在没有温差变化的时 候，热敏电阻臂与设定温度的可调电阻臂输出的电压都应该恒定不变，反之电桥 输出的电压信号经a d 6 2 0 差分放大。如图3 9 所示。 2 0 c o ： 洲胍叫砷徊 2 3 4 b 5 7 4 ) 眦叩甜 泓湘 图3 9 调制电路 到这里调制与放大已经完成，剩下的就是解调，解调部分我们用到了模拟开关 c d 4 0 6 6 ，其引脚如图3 1 0 ! i 0 l o a 嬲 神 2 c 笼 物 l c 伽 4 0 1 1 3 0 1 3 i 的 图3 1 0c d 4 0 6 6 管脚图 c d 4 0 6 6 是四双向开关，主要用作模拟或数字信号的多路传输。引出端排列 与c c 4 0 1 6 一致，但具有比较低的导通阻抗。另外，导通阻抗在整个输入信号范 围内基本不变。c d 4 0 6 6 由四个相互独立的双向开关组成，每个开关有一个控制 信号，开关中的p 和n 器件在控制信号高电平作用下同时开关。这种结构消除 了开关晶体管阀值电压随输入信号的变化，因此在整个工作信号范围内导通阻抗 比较低。 2 1 华南师范大学硕十研究生毕业论文 如图3 1 1 所示，模拟开关c d 4 0 6 6 的控制端由调制方波与其反相波形控制( 各 控制两个控制端) 。已经调制放大的信号，从其中两个开关输入端输入，另外两 个开关输入端接地，然后将当导通时输出为正值的输出引脚与差分放大器正端相 接，导通时输出为负值的输出端接差分放大器的负端相接。运行电路，解调输出 端将输出解调波形。要完成解调还需要c d 4 0 6 6 与差分放大器配合使用。调试结 果见4 3 1 章节。 3 4 2p i d 网络 图3 1 1 解调电路 温度控制是对传热过程的控制。温度控制对象是多变的，时间常数一般较大， 为几分钟到几十分钟温度控制系统的纯滞后一般也较大。为了改善温度控制系统 的品质，测量元件应选用时间常数小的元件，并尽可能的安装在测量纯滞后小 的地方调节器一般选用p i d 调节器 常规p i d 控制系统原理框图如图3 1 2 所示，系统由被控对象、模拟p i d 控制器、反馈组成。 2 2 华南师范大学硕一l 研究生毕业论文 图3 1 2p i d 原理图 理想p i d 控制的数学表达式为： “o ) = k 。【e o ) + 五z e ( f ) + - d e 出( t ) ，l ( 3 1 ) 其中“o ) 为控制器输出； e o ) 为控制器输人( 为测量值与设定值的差值，即为偏差) 。 k 。为比例增益； 互为积分时间； 为微分时间； 针对温控系统的p i d 参数选取：适当引入微分作用，可以加快调节作用，改 善因系统时间常数较大对控制系统造成的影响。微分作用是超前的调节作用，其 实质是阻止被调参数的变化，提高系统的稳定性，使过程衰减得厉害。 如要保持原来的衰减比，则增益可增大些，这样可以使最大偏差减少。积分 时间可短些，即积分作用可强一些，从而可使余差消除得快。增益增大和积分时 间减少后虽然使系统稳定性减弱，但这一点恰恰为微分作用所弥补。因此说引入 微分作用后，增益可大些，积分时间可小些，使调节质量更好。这一点在临界振 荡法经验算式中也可以看到，引人微分后，k ，变大，正变小。另外，积分电路 虽改善波形，但也带来滞后，所以特别注意控制加大微分作用，降低积分效果。 保持电路对温差变化的敏感度乜钔。调试结果见4 3 2 章节。 根据理论与实践证明，上图电路中的比例放大部分与积分部分可以合并与一 个运放电路，电路得以简化，如图3 1 3 所示： 2 3 华南师范大学硕：e 研究生乍业论文 3 5 物理系统的设计 图3 1 3 改进后的p i d 网络 对于一个温度控制系统，温度的稳定度也与物理系统有很大的关系。一个好 的物理系统可以减小外界温度对里面温度的影响，提高温度的稳定度。本论文的 物理系统如图3 1 4 所示。 图3 1 4 物理系统设计图 内、外层结构有利于热传导的流畅。激光二极管产生的热传到铝散热片a ， 然后从a 传到b 。由于外层的温度控制系统由两片t e c 组成的，而内层只是由一 片t e c 组成，外层的制冷能力比内层的制冷能力要强，在a 上的热很快地传到b 上面。而b 上面的热通过水冷系统带走。另一方面，在实践的过程中发现，当 2 4 华南师范大学硕1 j 研究! # 毕业论文 t e c 的制热面与制冷面的温差达到4 0 。c 左右，t e c 的内阻就会增大，流过t e c 的电流就会减小，降低了t e c 的制冷能力。内外层结构很好解决这问题，设置外 层的温度与内层温度相当( 一般可以设置外层温度比内层温度高1 2 。c 的范 围) ，这样可以减小内层温度控制系统的温差，从而保证内层温度控制系统快速、 可靠的制冷能力。 由于外层需要把内存的热量马上排到外面，所以需要很大的功率，外层功率 可以达到1 5 0 w ，同时，外层上的负载散热铝片a 的重量有3 0 0 克，因此散热铝 片b 会发出大量的热，铝片b 的温度很快达到5 0 。c - 一6 0 。c ，外层的两片t e c 的冷热面的温差很快达到4 0 。c ，这样使外层的两片t e c 的制冷能力下降，外面 的热很容易辐射到内层，系统稳定度降低。本论文在外层加上一个水冷系统。这 样散热铝片b 的温度很快传到水里，降低了散热铝片b 的温度，减小散热铝片b 对内层的热辐射。塑料箱子还可以在系统与外界之间加了一层的隔离作用，减小 外界对系统的干扰。实验证明，物理系统具有完整的热传输渠道，热阻小，热辐 射小的特点。 由于外层的发热量比较大，在选择散热片器b 时，选择体积比较大、散热面 比较大的散热器，这样有利于热的传导。在本论文中使用的散热器足有2 k g ，梳 妆的结构大大增大了散热面，有很好的热传导性。 散热器a 的体积大小会影响系统的稳定性。当散热器a 体积大，对于系统反 应没有那么灵敏，稳定时间比较长，但是对系统的稳定性是有很大的提高。相反， 散热器体积a 小，可以缩短系统的稳定时间。面积大小也是很重要，面积大，可 以减小下层热量辐射到内层。选择散热片器a 时，本论文使用 1 4 0 r a m x 8 0 r a m x 8 m m 的散热器a ，这样有利于热的传导，提高系统稳定。 为了提高热传导性，减小接触面的接触热阻，各个接触面之间，涂上传热硅 胶。各个面之间尽可能紧紧地接触。 保温材料的选择上，挑选保温棉作为保温材料。挑选保温棉的时候，挑选密 度比较大，厚度比较厚的保温棉。 2 5 华南师范大学硕十研究生毕业论文 实验结果及分析 本章主要测量并分析数字可调变阻电路的性能以及在恒流与恒温控制电路 控制下测试l d 的温度与电流改变。 4 1 数控可调变阻电路的测量数据 在这个控制电路中，控制器需要获知v c r 输出的电阻值对应的控制电压，故 需要对v c r 定标。在室温下，测得v c r 2 n 、v c r 4 n 的r - v 特性曲线如下 4 1 1v c rr - v 特性定标测量结果 1 、v c r 2 n 的r - v 定标测量结果如下表4 1 表4 1v c r 2 n 的定标测量结果 电压( v ) 2 0 4 52 1 3 52 2 1 52 2 9 52 3 7 02 4 4 52 5 1 52 5 8 52 6 5 0 电阻( q )5 05 15 25 35 45 55 65 75 8 电压( v )2 7 1 5 2 7 8 02 8 3 52 8 9 52 9 5 03 0 0 53 0 6 03 1 1 03 1 5 5 电阻( q )5 9 6 06 1 6 2 6 36 46 56 66 7 电压( v ) 3 2 0 53 2 5 03 2 9 53 3 3 53 3 8 03 4 2 53 4 6 53 5 0 53 5 4 0 电阻( q ) 6 86 97 07 17 27 37 47 57 6 电压( v ) 3 5 8 03 6 1 03 6 4 53 6 8 03 7 1 53 7 4 53 7 7 53 8 0 53 8 3 5 电阻( q ) 7 77 87 98 08 18 28 38 48 5 电压( v ) 3 8 6 53 8 9 53 9 2 03 9 4 53 9 7 5 3 9 9 54 0 2 04 0 4 5 4 0 7 0 电阻( q ) 8 68 78 88 99 0 9 19 2 9 39 4 电压( v ) 4 0 9 54 1 1 5 4 1 4 5 4 1 6 04 1 8 5 4 2 0 54 2 2 54 2 4 5 4 2 6 5 电阻( q ) 9 59 69 7 9 89 9 1 0 01 0 11 0 2 1 0 3 2 6 华南师范大学顶 ：研究，e 毕、i k 论文 电压( v ) 4 2 8 54 3 0 54 3 2 04 3 4 04 3 6 04 3 8 54 3 9 54 4 1 04 4 2 5 电阻( q ) 1 0 41 0 51 0 61 0 71 0 81 0 91 1 01 1 1 1 1 2 电压( v ) 4 4 4 04 4 5 04 4 7 04 4 8 54 5 0 04 5 1 54 5 3 04 5 4 54 5 5 5 电阻( q ) 1 1 31 1 41 1 51 1 61 1 71 1 81 1 91 2 01 2 l 电压( v ) 4 5 7 04 5 8 54 6 0 04 6 1 04 6 2 54 6 3 54 6 5 04 6 6 04 6 7 0 电阻( q ) 1 2 21 2 3 1 2 4 1 2 5 1 2 6 1 2 7 1 2 81 2 9 1 3 0 电压( v ) 4 6 8 5 4 6 9 54 7 0 54 7 1 54 7 3 04 7 4 04 7 5 04 7 6 04 8 5 0 电阻( q )1 3 l1 3 21 3 31 3 41 3 51 3 61 3 71 3 84 8 5 0 电压( v )4 7 7 04 7 8 04 7 9 04 8 0 04 8 1 04 8 2 04 8 3 04 8 4 04 8 6 0 电阻( q ) 1 3 91 4 01 4 11 4 21 4 31 4 41 4 51 4 61 4 8 电压( v ) 4 8 6 0 电阻( q ) 1 4 9 1 5 0 1 4 5 1 4 0 1 3 5 1 3 0 1 2 5 1 2 0 ”5 1 1 0 1 0 5 雷1 0 0 i9 5 9 0 8 5 8 0 7 5 7 0 6 5 6 0 5 5 5 0 v ( 伪 20 2 53 0 3 54045 50 图4 1v c r 2 nr - v 特性曲线 2 7 华南师范大学硕卜研究生毕业论文 2 、v c r 4 n 的r v 定标测量结果如下表4 2 表4 2v c i i 4 n 的定标测量结果 电压( v )2 0 6 5 2 1 2 52 2 4 52 3 2 52 3 7 92 4 5 52 5 1 92 5 8 52 6 5 8 电阻( q ) 3 0 04 0 05 0 06 0 07 0 08 0 09 0 01 0 0 01 1 0 0 电压( v ) 2 7 1 52 7 8 92 8 3 52 8 9 52 9 5 83 0 0 53 1 6 03 1 l o3 1 5 5 电阻( q ) 1 2 0 01 3 0 01 4 0 01 5 0 01 6 0 01 7 0 01 8 0 01 9 0 02 0 0 0 电压( v ) 3 2 0 53 2 5 43 2 9 53 3 3 53 3 8 43 4 2 53 4 6 53 5 0 53 5 1 4 电阻( q ) 2 1 0 02 2 0 02 3 0 02 4 0 02 5 0 02 6 0 02 7 0 02 8 0 02 9 0 0 电压( v ) 3 5 8 33 6 1 l3 6 4 53 6 8 83 7 1 53 7 4 53 7 7 53 8 0 53 8 3 5 电阻( q ) 3 0 0 03 1 0 03 2 0 03 3 0 03 4 0 03 5 0 03 6 0 03 7 0 03 8 0 0 电压( v )3 8 6 53 8 9 53 9 3 23 9 4 53 9 7 53 9 9 54 0 1 24 0 4 54 0 7 7 电阻( q ) 3 9 0 04 0 0 04 1 0 04 2 0 04 3 0 04 4 0 04 5 0 04 6 0 04 7 0 0 电压( v )4 0 9 54 1 1 54 1 4 54 1 6 04 1 8 54 2 0 54 2 2 54 2 4 54 2 6 5 电阻( q )4 8 0 0 4 9 0 0 5 0 0 0 5 1 0 05 2 0 05 3 0 05 4 0 05 5 0 05 6 0 0 电压( v ) 4 2 8 54 3 0 54 3 2 04 3 4 04 3 6 04 3 8 54 3 9 54 4 1 04 4 2 5 电阻( q ) 5 7 0 05 8 0 05 9 0 06 0 0 06 1 0 06 2 0 06 3 0 06 4 0 06 5 0 0 电压( v ) 4 4 4 04 4 5 04 4 7 04 4 8 54 5 0 04 5 1 54 5 3 04 5 4 54 5 5 5 电阻( q ) 6 6 0 06 7 0 06 8 0 06 9 0 07