功率穩(wěn)定可調(diào)LD驅(qū)動電路的設(shè)計

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。如在半導(dǎo)體薄膜特性檢測中，常常需要檢測薄膜反射比以求解出其它光電學(xué)參量。由于薄膜增長的緩慢（0 m級秒），反射比變化非常小，在這種情況下，對于光源穩(wěn)定性的要求非常高，達到0.1。%穩(wěn)定光源在光纖測量中像電子電路測試時用振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。這種方法的共同步是模擬調(diào)節(jié)。本文設(shè)計一種對輸出光功率進行閉環(huán)數(shù)字 調(diào)節(jié)的激光二極管（）驅(qū)動電路。該電路使用高精度4立Ad 轉(zhuǎn)換器，理論上對光功率的00變化均可調(diào)節(jié)，且驅(qū)動電流最小節(jié)量00Am同時可精確設(shè)置初始驅(qū)動電流（光功率）。驅(qū)動電路設(shè)計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（圖 （所示）。和監(jiān)測激光器背向輸出光功率的 光電二極管封裝在一起。這里， 采用A 紅光激光二極管，封裝形式為共陽極（的正極與（光電二極管）的負極連接在一起）。最大輸出光功率為0m,閾值電流為40mA（25℃）,工作電流量大為 0mA的監(jiān)測電流m與激光器的輸出功率（在溫度不變的情況下成線性關(guān)系（圖（）所示），這為后面控制電路的設(shè)計提供了依據(jù)。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轉(zhuǎn)換器采樣量化后送入單片機，與單片機內(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；再對偏差信號進行運算，運算結(jié)果經(jīng)轉(zhuǎn)換及電壓電流（）變換后，成為的驅(qū)動電路。I調(diào)節(jié)是為了使激光二極管輸出功率穩(wěn)定。這種單片機閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖2閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。電路模塊選型及計算．1差分放大模塊由圖1()可見，監(jiān)測電流很小，尤其當激光器輸出功率10m時。如果把監(jiān)測電流通過一電阻接入放大器，則由于放大器的輸入阻抗太小以及電阻的溫漂問題，使放大器的輸入電壓受溫度影響非常大，從而導(dǎo)致/轉(zhuǎn)換器的輸入不準確。因此在設(shè)計中應(yīng)該消除或減小環(huán)境溫度對/轉(zhuǎn)換器輸入的影響。設(shè)計中使監(jiān)測電流與參考電流通過一個由四個阻值及溫度系數(shù)相等的高精度電阻組成的電橋電路，這樣溫度的影響會在相減中減小。放大器采用I公司的高輸入阻抗精密差分放大器I11其原理圖如圖所示。圖3監(jiān)測電流的差分放大電路原理圖圖3監(jiān)測電流的差分放大電路原理圖 7o[NA114其中，參考電流I 可由另一I 11和 得到」。放大器的輸出電壓可由下式計算：0(IIm)XRX(1+50k/Rg) ⑴3．2模/數(shù)及數(shù)/模轉(zhuǎn)換器/轉(zhuǎn)換器選用美信公司的 10 /轉(zhuǎn)換器選用模擬器件公司的5551它們都是1位的串行轉(zhuǎn)換器，適合于對速度要求不是很高的場合。轉(zhuǎn)換器的片選信號、時鐘線及數(shù)據(jù)線直接同單片機的用戶口相連。轉(zhuǎn)換器的位數(shù)決定了檢測控制電路的分辨率。1位轉(zhuǎn)換器可把0量程的電壓量化成份，所以調(diào)整差分放大器的增益使其輸出電壓最大值達到轉(zhuǎn)換器的滿量程電壓，則理論上對于光功率變化1/124均可檢測到，即該驅(qū)動電路可以檢測到 的激光器光功率變化，進而可在單片機中進行調(diào)節(jié)。同樣設(shè)轉(zhuǎn)換器的輸出電壓經(jīng)變化后的滿量程電流為 0則驅(qū)動電流的最小可調(diào)節(jié)量為 。3．3電壓/電流轉(zhuǎn)換由于上述 轉(zhuǎn)換器的輸出無緩沖，故采用運放與場效應(yīng)管組成的共源放大電路。其中運放對輸出有緩沖作用。圖電路中為 的輸出電壓，場效應(yīng)管的漏極源極的電流（即的驅(qū)動電流）為：圖電路中為 的輸出電壓，場效應(yīng)管的漏極源極的電流（即的驅(qū)動電流）為：由上述可見，驅(qū)動電流由及小電阻決定。在實際中取為。的高精度電阻，則由上式可得滿量程電流為 。由于正常工作時，其壓降為左右，所以這樣設(shè)計驅(qū)動電流最大值不會超過 ，對可以起到保護作用。故驅(qū)動電流在?之間可調(diào)。由上式可見，最大驅(qū)動電流可以通過調(diào)節(jié)的大小來得到，設(shè)計靈活性較大。此外，電路中單片機與計算機間通過 串行口進行通信，采用的收發(fā)器為 。計算機通過串口可對 的初始驅(qū)動電流、參考監(jiān)測電壓進行設(shè)置，還可以對 數(shù)字調(diào)節(jié)器的比例、積分、微分系數(shù)進行設(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 運算的中間結(jié)果。數(shù)字調(diào)節(jié)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 與輸出 間的關(guān)系為：u(t)=￡peQ)+& 丁十扁(3)為了實現(xiàn)編程，將上式寫成離散化，可寫出第次采樣式 的輸出表達為:磯的=冷明十區(qū)￡EOR)+K^￡(fc)-E(fc-l)J(4)j=0式中，()為第次采樣式的偏差值。設(shè)監(jiān)測電壓設(shè)定值為 ，差分放大器第次輸出的采樣值為 (貝)()為程序設(shè)計方便，將式()作進一步改進，設(shè)比例輸出為：積分項輸出為： ，微分項輸出為：1)那么式(4)可寫成：U(k)=Up(k)+Ui(k)+UD(k) (6)式()即為離散化的位置型 編程方式，一般采用浮點運算。當、、分別給出且存放在指不定期的內(nèi)部 中時，則完成式()位置型浮點運算運算程序的流程圖如圖所示(初始化程序設(shè)置初值使() -將仇“將帙或蛆字If事假曲片位先!MfTUPW運算期沖興國國在 三種作用中，比例作用可對偏差作出及時響應(yīng)；積分作用主要用來消除靜差，改善系統(tǒng)的靜態(tài)特性；身分作用主要用來減少超調(diào)，克服振蕩，使系統(tǒng)趨向穩(wěn)定，加快系統(tǒng)的動作速度，減少超調(diào)時間，改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。若能將三種作用的強度配合適當，可以使控制器快速、平穩(wěn)、準確，從而獲得滿意的控制效果。調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定可以使用擴充臨界比例度法。該設(shè)計將經(jīng)