專利名稱:閉環(huán)數(shù)字式ld激光器驅(qū)動電路的制作方法
閉環(huán)數(shù)字式LD激光器驅(qū)動電路技術(shù)領(lǐng)域
本項發(fā)明涉及精密光電檢測技術(shù),具體涉及一種閉環(huán)數(shù)字式LD激光器驅(qū)動電路。
技術(shù)背景
在精密光電檢測領(lǐng)域中,光源的微小波動會引起被測量的較大偏移,從而產(chǎn)生較大的測量誤差。如在原子吸收特性檢測中,常常需要檢測特定波長的光波經(jīng)吸收后的光功率前后對比。在這種情況下,對于光源穩(wěn)定性的要求非常高,達(dá)到0.1%。穩(wěn)定光源在光纖測量中像電子電路測試時用蕩器作為信號源一樣,要求發(fā)出高穩(wěn)定、光功率可調(diào)的光信號。 穩(wěn)定光源是急待開發(fā)的光纖系統(tǒng)測試儀器中的一種重要的基礎(chǔ)設(shè)備。國內(nèi)一些學(xué)者對穩(wěn)定激光光源作了一些研究。有的設(shè)計方法使激光器注入電流穩(wěn)定,并配合使用溫控電路。這種方法雖然對穩(wěn)定性有一定提高,但對其它影響因素缺乏考慮,不是一種閉環(huán)的控制系統(tǒng)。 有的對光功率的調(diào)節(jié)只使用模擬的積分調(diào)節(jié),由于積分控制對穩(wěn)態(tài)誤差的消除作用是靠對誤差的積累產(chǎn)生的,故反映不靈敏,且會使系統(tǒng)穩(wěn)定裕量下降,超調(diào)增大,一般不單獨使用。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的要解決的技術(shù)問題是,提供一種控制精度高、功耗低的閉環(huán)數(shù)字式LD激光器驅(qū)動電路。
本發(fā)明的閉環(huán)數(shù)字式LD激光器驅(qū)動電路包括有可獲得待測二極管監(jiān)測電流的PD 監(jiān)測模塊,PD監(jiān)測模塊經(jīng)差分放大模塊和A/D轉(zhuǎn)換電路后接入單片機(jī);單片機(jī)可對二極管監(jiān)測電流轉(zhuǎn)換的電壓量與監(jiān)測電壓參考值進(jìn)行比較并產(chǎn)生電壓偏差信號,再對偏差信號進(jìn)行PID運(yùn)算;單片機(jī)的運(yùn)算結(jié)果數(shù)據(jù)經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換電路及電壓/電流轉(zhuǎn)換模塊后,輸出到LD 驅(qū)動電路。
本發(fā)明采用采用單片機(jī)控制,將光電二極管的監(jiān)測電流經(jīng)差分放大后變成一個電壓量,經(jīng)高精度A/D轉(zhuǎn)換器采樣量化后送入單片機(jī),經(jīng)單片機(jī)運(yùn)算處理后,單片機(jī)直接驅(qū)動可編程電流源輸出電流驅(qū)動LD工作。該電路將經(jīng)典PID控制理論融入激光二極管功率控制中,采用數(shù)字調(diào)節(jié)方式,初始驅(qū)動電流(LD輸出功率)可設(shè)置,最小電流可調(diào)量小,調(diào)節(jié)精度高,最大驅(qū)動電流可變。將該驅(qū)動電路與溫度控制電路配合使用(LD的閾值電流和輸出功率受工作溫度的影響較大),可使激光二極管輸出功率高度穩(wěn)定且可調(diào)。
圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)原理框圖2是本發(fā)明的差分放大模塊的電路圖。
具體實施方式
一、驅(qū)動電路設(shè)計
1激光二極管封裝及參數(shù)
常見激光二極管封裝有兩種形式共陽極與共陰極型。LD和監(jiān)測激光器背向輸出光功率的PIN光電二極管封裝在一起。這里,LD采用SANY0655nm紅光激光二極管,封裝形式為共陽極(LD的正極與PD(光電二極管)的負(fù)極連接在一起)。LD最大輸出光功率為 30mff,閾值電流為40mM25°C ),工作電流最大為110mA。PD的監(jiān)測電流Lii與激光器的輸出功率PO在溫度不變的情況下成線性關(guān)系,這為后面控制電路的設(shè)計提供了依據(jù)。
2電路原理
光電二極管的監(jiān)測電流經(jīng)差分放大后變成一個電壓量,經(jīng)高精度A/D轉(zhuǎn)換器采樣量化后送入單片機(jī),與單片機(jī)內(nèi)監(jiān)測電壓參考值(在設(shè)定功率條件下,監(jiān)測電流經(jīng)差分放大后變成的電壓量的數(shù)字表示)之間作差,產(chǎn)生電壓偏差信號;再對偏差信號進(jìn)行PID運(yùn)算,運(yùn)算結(jié)果經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換及電壓-電流(V-I)變換后,成為LD的驅(qū)動電路。PID調(diào)節(jié)是為了使激光二極管輸出功率穩(wěn)定。這種單片機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。
3電路模塊選型及計算
3. 1差分放大模塊
由圖2可見,其電路監(jiān)測電流很小,尤其當(dāng)激光器輸出功率< IOmW時。該電路采用德州儀器公司生產(chǎn)的超低偏置電流((75fA,fA = 10 15A)單片運(yùn)算放大器0PA128, 由于輸入級采用介質(zhì)隔離的場效應(yīng)管組成,并改進(jìn)了輸入晶體管的幾何圖形,使得它具有獨特的電氣性能。0PA128由于其獨特的性能,因而非常適合于傳統(tǒng)上采用真空靜電計管所組成的靜電計級運(yùn)算放大器方面的應(yīng)用,如靜電計、質(zhì)譜儀、色譜儀、電荷放大器、離子測量、光電檢測、高能射線儀器等1fi^ —。。這些應(yīng)用的特殊之處在于它們具有極高的源阻抗、低噪聲和超低偏置電流的特性,從下面給出的0PAU8技術(shù)指標(biāo)可以看出,它完全能滿足這方面的特殊要求。
0PA128的主要技術(shù)指標(biāo)
輸入偏置電流< 士 75fA
輸入失調(diào)電壓< ±500μ V
差模輸入阻抗1013//lpF
共模輸入阻抗1015//2pF
開環(huán)電壓增益> IlOdB
由于光電探測器工作在零偏置下,因此產(chǎn)生電流和光強(qiáng)具有良好的線性關(guān)系,通過Ι/ν轉(zhuǎn)換,可以得到供A/D轉(zhuǎn)換的電壓信號。
由圖2可知,電路中輸入Vo與輸出Ii的關(guān)系如式
V0 = IiXR1
3. 2模/數(shù)轉(zhuǎn)換器
A/D轉(zhuǎn)換器選用美信公司的MAX12557,是Maxim公司新推出的一種低功耗、小尺寸和高動態(tài)特性的14位高速模/數(shù)轉(zhuǎn)換器,可廣泛應(yīng)用在要求低功耗的數(shù)據(jù)采集、數(shù)字接收機(jī)、便攜式儀表等領(lǐng)域。轉(zhuǎn)換器的片選信號、時鐘線及數(shù)據(jù)線直接同單片機(jī)的I/O 口直接相連。轉(zhuǎn)換器的位數(shù)決定了檢測控制電路的分辨率。14位轉(zhuǎn)換器可把4. 096V量程的電壓量化成214份,所以調(diào)整差分放大器的增益使其輸出電壓最大值達(dá)到A/D轉(zhuǎn)換器的滿量程電壓,則理論上對于光功率變化1/1214均可檢測到,即該驅(qū)動電路可以檢測到< 0. 01%的激光器光功率變化,進(jìn)而可在單片機(jī)中進(jìn)行調(diào)節(jié)。
3. 3可編程電流源
LD驅(qū)動電流源采用Linear公司可編程電流源芯片LT3092。
LT3092具有1 %的初始準(zhǔn)確度和非常低的溫度系數(shù)。輸出電流從0. 5mA至200mA 是可編程的,而且在1. 5V至40V范圍內(nèi)電流調(diào)節(jié)優(yōu)于10ppm/V。完全滿足LD激光器的驅(qū)動需求。與其它模擬集成電路不同,LT3092采用特殊設(shè)計方法,以實現(xiàn)高DC和AC阻抗,從而確保穩(wěn)定工作,而無需電源旁路電容器。由于LT3092無需電容器,因而非常適合于“本質(zhì)安全”應(yīng)用,在此類應(yīng)用中,輸出可能短路,而且不能容許任何瞬態(tài)放電。反向電源容限和熱停機(jī)保護(hù)了該IC和負(fù)載。
此外,電路中單片機(jī)與計算機(jī)間通過USB 口進(jìn)行通信,采用的USB收發(fā)器為單片機(jī)自帶USB接口。計算機(jī)通過USB 口可對LD的初始驅(qū)動電流、參考監(jiān)測電壓進(jìn)行設(shè)置,還可以對PID數(shù)字調(diào)節(jié)器的比例、積分、微分系數(shù)進(jìn)行設(shè)定,這樣可以方便快捷地整定出調(diào)節(jié)器的參數(shù)。存儲器中存放一些設(shè)定參數(shù)以及暫存PID運(yùn)算的中間結(jié)果。
二、數(shù)字PID調(diào)節(jié)
PID調(diào)節(jié)器控制結(jié)構(gòu)簡單,參數(shù)容易調(diào)整,不必求出被控對象的數(shù)字模型便可調(diào)節(jié)。其輸入e(t)與輸出u(t)間的關(guān)系為
權(quán)利要求
1. 一種閉環(huán)數(shù)字式LD激光器驅(qū)動電路,其特征是它包括有可獲得待測二極管監(jiān)測電流的PD監(jiān)測模塊,PD監(jiān)測模塊經(jīng)差分放大模塊和A/D轉(zhuǎn)換電路后接入單片機(jī);單片機(jī)可對二極管監(jiān)測電流轉(zhuǎn)換的電壓量與監(jiān)測電壓參考值進(jìn)行比較并產(chǎn)生電壓偏差信號,再對偏差信號進(jìn)行PID運(yùn)算;單片機(jī)的運(yùn)算結(jié)果數(shù)據(jù)經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換電路及電壓/電流轉(zhuǎn)換模塊后,輸出到LD驅(qū)動電路。
全文摘要
本項發(fā)明涉及精密光電檢測技術(shù),具體涉及一種閉環(huán)數(shù)字式LD激光器驅(qū)動電路。該電路包括有可獲得待測二極管監(jiān)測電流的PD監(jiān)測模塊,PD監(jiān)測模塊經(jīng)差分放大模塊和A/D轉(zhuǎn)換電路后接入單片機(jī);單片機(jī)可對二極管監(jiān)測電流轉(zhuǎn)換的電壓量與監(jiān)測電壓參考值進(jìn)行比較并產(chǎn)生電壓偏差信號,再對偏差信號進(jìn)行PID運(yùn)算;單片機(jī)的運(yùn)算結(jié)果數(shù)據(jù)經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換電路及電壓/電流轉(zhuǎn)換模塊后,輸出到LD驅(qū)動電路。本發(fā)明的電路將經(jīng)典PID控制理論融入激光二極管功率控制中,采用數(shù)字調(diào)節(jié)方式,初始驅(qū)動電流可設(shè)置,最小電流可調(diào)量小,調(diào)節(jié)精度高,最大驅(qū)動電流可變。將該驅(qū)動電路與溫度控制電路配合使用,可使激光二極管輸出功率高度穩(wěn)定且可調(diào)。
文檔編號H01S5/042GK102522696SQ20111038982
公開日2012年6月27日 申請日期2011年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月30日
發(fā)明者何笑迪, 周四海, 徐東進(jìn), 詹敦平 申請人:江蘇飛格光電有限公司