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李玉波毕业设计






近几年光电子技术发展的速度非常快, 由于半导体激光器具有转换效率高、 体积小、 可靠性较强、重量轻, 能直接调制等好的特性,使它在工业中的生产、 高新技术产业及科学研究的各个领域,得到了各个国家广泛的重视。 本文主要面向组装后的激光二极管组件,设计了一种由 AT89C51 单片机控 制的半导体激光器驱动电源控制系统。设计中采用了一种典型的自动电流控制 (ACC)方式来驱动半导体激光器。这里 ACC 控制指的是电流采样反馈,这样 就会使电流偏移最小,LD 的稳定性最高。而温度控制是系统设计中不可缺少的 环节, 在设计中采用了 PI 比例-积分调节器以及功率放大环节, 从而会使系统的 输出稳定。在半导体制冷器的作用下,LD 会预定在一种恒温的环境下。而单片 机 AT89C51 的数字控制单元实现了对半导体激光器主要参数的采集以及处理, 硬件电路由此会得到很好地控制。 本次设计实现了温度在 10-50℃ ,电源的输出为 0-200mA,半导体激光器 能够稳定的输出的功能。 关键词 AT89C51 半导体激光器 电流控制 温度控制

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Abstract
With the rapid development of optical electronics, the techniques of semiconductor laser diode had been applied widely in many fields such as industry, high tech and science research. Semiconductor laser diode has the excellent character of high efficiency, small size, low weight, high reliability, direct modulation, but semiconductor laser diode is a kind of device with high power density and sky-high quantum efficiency. Even weak drive current and temperature change will lead to its large change of output light power and device parameters, which directly damages the safe use of laser diode. At the same time, semiconductor laser diode is very sensitive to the temperature. The fluctuation of surrounding temperature not only leads to the fluctuation of supply current, but also makes threshold current, quantum efficiency, output wavelength and output light intensity of the laser diode change greatly. This paper faces to primarily laser diode modules that after assembling and introduces a diode laser output power system which is controlled by microprocessor. The text adopes an antomatic current control way(ACC) to drive the semiconductor laser diode. The automatic current control means passing the adopted current feedback to minimum the current drift and let the semiconductor laser diode output stability biggest. The temperature control is an important link and this text designs comparison calculus modulator, passing the cold machine in semiconductor system, to make the LD working under the constant temperature. The numeral cell which is controlled by singlechip collects the LD main parameter and take the hardware electric circuit into the control. To improve the system stability and protect the semiconductor laser diode not to damage which is caused by wave flowing out the impact, the design adopts sufficient anti-interference measure and LD protecting measrue. Key words AT89C51 laser diode current control temperature control

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摘 要 ........................................................................................................................... I Abstract ....................................................................................................................... II 第 1 章 绪 论 ............................................................................................................ 1 1.1 设计的目的和意义 ........................................................................................ 1 1.2 国内外的研究现状 ........................................................................................ 1 1.3 设计的主要内容 ............................................................................................ 3 1.4 设计的主要要求及技术指标 ........................................................................ 3 1.4.1 LD 驱动电源的设计要求 ................................................................. 3 1.4.2 LD 驱动电源的设计指标 ................................................................. 4 第 2 章 半导体激光器特性及总体方案的设计 ........................................................ 5 2.1 半导体激光器的工作原理 ............................................................................ 5 2.2 半导体激光器的特性 .................................................................................... 6 2.2.1 半导体激光器的 V-I 和 P-I 特性 ........................................................ 6 2.2.2 半导体激光器的温度特性 ................................................................ 7 2.2.3 半导体激光器的调制特性 .................................................................. 9 2.3 LD 驱动电源的设计方案 .............................................................................. 9 2.3.1 方案的提出 .......................................................................................... 9 2.3.2 方案的选择 ......................................................................................... 11 2.3.3 方案的介绍 ........................................................................................ 11 第 3 章 系统硬件设计 .............................................................................................. 13 3.1 系统恒流源的设计 ...................................................................................... 13 3.1.1 驱动原理 ............................................................................................ 13 3.1.2 LD 驱动电路设计 .............................................................................. 13 3.1.3 功率放大电路设计 ............................................................................ 14 3.1.4 保护电路的设计 ................................................................................ 15 3.1.5 半导体激光器的保护措施 ................................................................ 16 3.2 恒流驱动硬件电路设计 .............................................................................. 17 3.2.1 模数转换器 AD574 ........................................................................... 17 3.2.2 采样/保持器 LF398 ........................................................................... 17 3.2.3 多路切换开关 CD4051 ..................................................................... 18
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3.2.4 89C51 和 AD574 及前置电路接口 ................................................... 19 3.2.5 LCD 显示模块 .................................................................................... 20 3.3 恒温模块的设计 .......................................................................................... 21 3.3.1 半导体制冷器的工作原理 ................................................................ 22 3.3.2 比例积分调节电路 ............................................................................ 23 3.3.3 功率放大电路的设计 ........................................................................ 25 3.3.4 热敏电阻线性化 ................................................................................ 26 3.4 辅助电路设计 .............................................................................................. 28 3.4.1 温度设定电路 .................................................................................... 28 3.4.2 限幅电路设计 .................................................................................... 28 第 4 章 软件设计 ...................................................................................................... 30 4.1 主程序设计 .................................................................................................. 30 4.2 键盘输入程序设计 ...................................................................................... 31 4.3 A/D 转换子程序设计 ................................................................................... 31 4.4 报警子程序设计 .......................................................................................... 33 结 论 ........................................................................................................................ 34 致 谢 ........................................................................................................................ 35 参考文献 .................................................................................................................... 36

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CONTENTS
Abstract ........................................................................................................................ I Abstract ...................................................................................................................... II Chapter 1 Introduction .............................................................................................. 1 1.1 The meaning of design and the background.................................................... 1 1.2 The meaning of design and the background.................................................... 1 1.3 The main content of the design ....................................................................... 3 1.4 Design of the main requirements and technical indicators ............................. 3 1.4.1 LD drive power supply design requirements ..................................... 3 1.4.2 LD driver power supply design parameters ....................................... 4 Chapter 2 Semiconductor laser characteristics and overall scheme design ......... 5 2.1 The working principle of semiconductor laser ................................................ 5 2.2 The characteristics of semiconductor laser ..................................................... 6 2.2.1 Semiconductor laser V - I and P - I characteristics ............................... 6 2.2.2 Temperature characteristic of semiconductor laser ............................... 7 2.2.3 The modulation characteristics of semiconductor laser ........................ 9 2.3 Design of power supply for LD driver ............................................................ 9 2.3.1 The scheme of proposed ........................................................................ 9 2.3.2 The choice of scheme .......................................................................... 11 2.3.3 The introduction of solution ................................................................ 11 Chapter 3 The system hardware design ................................................................. 13 3.1 System of constant current source design ..................................................... 13 3.1.1 Drive principle .................................................................................... 13 3.1.2 The design of the LD driver circuit ..................................................... 13 3.1.3 The design of power amplifier circuit ................................................. 14 3.1.4 The design of the protection circuit ..................................................... 15 3.1.5 Semiconductor laser protective measures ........................................... 16 3.2 Constant current drive hardware circuit design ............................................ 17 3.2.1 AD converter 574 ................................................................................ 17 3.2.2 Sampling/retainer LF398 .................................................................... 17 3.2.3 Multi-channel switch CD4051 ............................................................ 18
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3.2.4 AT89C51 and AD574 and front interface circuit ................................ 19 3.2.5 The LCD display module .................................................................... 20 3.3 The design of the constant temperature......................................................... 21 3.3.1 The working principle of semiconductor refrigerator ......................... 22 3.3.2 PI regulation circuit ............................................................................. 23 3.3.3 The design of the power amplifier circuit ........................................... 25 3.3.4 Thermistor linear ................................................................................. 26 3.4 The auxiliary circuit design ........................................................................... 28 3.4.1 Temperature setting circuit .................................................................. 28 3.4.2 Limiting circuit design ........................................................................ 28 Chapter 4 The software design................................................................................ 30 4.1 The main program design .............................................................................. 30 4.2 Keyboard input program design .................................................................... 31 4.3 A/D conversion subroutine design ................................................................ 31 4.4 Alarm subroutine design ............................................................................... 33 conclusion .................................................................................................................. 34 Ackonwledgements ................................................................................................... 35 Appendix ................................................................................................................... 36

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第1章





1.1 设计的目的和意义
信息技术已成为当今全球性的战略技术。以光电子和微电子为基础所支持 的通信和网络技术已成为高技术的核心,正在深刻影响着国民经济、国防建设 的各个领域。 其中, 半导体激光器 (LD) 在当今世界中扮演着不可或缺的角色。 半导体激光器(LD)一种激光器,但是它的工作材料是一种半导体材料。 它在光纤通信中充当着一种重要的光源。在当今电子学领域中,半导体激光器 的应用已经是十分的广泛[1]。半导体激光器的体积小,输入的能量低,使用寿 命较长,比较容易调制及其价格低等优点,让它在军事上得到了一些广泛的应 用。例如雷达,测距,致盲,告警,瞄准等等,在光电子领域中成为新生代的重 要力量。于此同时,半导体激光器在工业生产上,生活应用上,电子科学上都 发挥着重要的作用。 现在半导体激光器在通信,光谱,光学数据存储等尖端领域中发挥着重要 的作用。如果要使半导体激光器在工作中能够安全稳定,对半导体激光器的温 度以及电流的输出是有很大的要求的。在前几年的开发半导体的过程中,因为 对温度的控制以供电的控制把握的不好,导致期间损坏的非常多。因此在现今 的半导体激光器应用中,对温度以及电流的输入要求都是十分必要的。

1.2 国内外的研究现状
为满足半导体激光器对工作环境的较高要求,世界各研发机构都在为提高 半导体激光器驱动性能的道路上不懈努力,欧美等发达国家在该领域投入大量 人力物力,取得了丰硕的成果。 美国 ILX Lightwave 公司是半导体激光器驱动方案的领先者, 它的产品功能 很全面 ILX Lightwave 公司提供了一系列的激光器驱动器、 温度控制器和夹具装 置,用于研究、生产和测试中的激光器精密控制,这些仪器因其可靠性、精确 性和简单易用而闻名。 该公司生产的台式激光驱动器的稳定性很高、 噪音很低, 能够提供从 100mA 到 6A 的连续可调或脉冲驱动电流,可有效地保证激光器稳 定的波长输出。其中,ILX 系列有 4 通道、8 通道和 16 通道的多通道驱动器可
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供用户选择,可同时对多个激光器进行精密控制。该公司生产的 LDC-3700C 系 列半导体激光控制器如图 1-5 所示,它是一款高性能、基于微处理器的工业级 设备,专为控制半导体激光器的驱动电流和温度而设计,是同类产品中的佼佼 者;该款半导体激光驱动器以其出色的可靠性、准确性、操作简易性为业内广为 接受;它的驱动范围覆盖面很大,可满足中、小功率激光器的应用要求。其中, LDC-3714C 和 LDC-3724C 两款设备能够提供双电流量程的驱动, 最大电流分别 为 100mA 和 5OOmA, 能够维持量级的稳定输出。 对于大功率的半导体激光器, LDC-3744C 可提供 2/4A 的双电流供电。同时,这三款型号都集成有 32W 的温 度控制器,温度的稳定性达 0.004 0C;它们的驱动电流源电路和温度控制电路的 供电是相互独立的,可为半导体激光器提供保护,保证输出的稳定性。此外, 所有的 ILX Lightwave 设备都为半导体激光器提供了开机慢启动、 过流过压限制、 [2] 静电防护等保护措施 。 在国内,半导体激光器的发展紧随着国外的脚步,也得到了很快的发展。 其中主要的研究单位包括中科院半导体所、清华大学和弦电子科技大学等等。 中科院半导体所采用光纤捆绑耦合技术来进行激光的整合。其基本的原理 是利用光纤柱透镜来进行快轴的压缩,然后进入光纤排,紧接着把输出的光纤 捆成一束。利用这种方法可以实现 LD 输出光束的对称,并且在输出截面上的 强度能够均匀下来,使其在传输的过程中对于的光能的损失最小,但是它有个 缺点就是亮度不是很高,输出的光纤不细。 相对中科院半导体所清华大学采用的是微柱透镜快轴方法。首先通过两套 错位紧密相连的棱镜来对光束进行整合。它的结构比较复杂,整形的效率比较 高。 在最近几年 ,高功率、大功率的半导体激光器的发展速度是非常快的例如 北京普林光电公司在单个单元器件的光纤耦合方面的研究,北京工业大学对半 导体激光器的研究已经达到了炉火纯青的地步,武汉凌志公司对于半导体激光 器的研究与发展扮演着一个不可或缺的角色。这些公司以及大学或者研究所快 速的促进着半导体激光器件的国产化,实现了对半导体激光器的发展,发挥着 重要的作用,为我国的科技进步提供了坚强的保障。

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1.3 设计的主要内容
本次毕业设计的主要任务是设计出一种结构简单、 成 本低的半导体激光器 驱动电源,此电源的输出为 0-200mA 电流且稳定、可调节,使得半导体激光器 的输出功率稳定;对半导体激光器的工作温度进行控制使之保持在指定的范围 内。主要内容如下: 1. 半导体激光器的驱动电路的设计。根据半导体激光器的特性要求控制激 光器的电流输出,并考虑激光器的保护措施。 2. 半导体激光器的温度控制电路的设计。利用半导体激光器组件内部的半 导体制冷器对激光器进行温度控制。 3. 数字控制电路设计。利用单片机对半导体激光器的各个特性参数进行采 集、处理。

1.4 设计的主要要求及技术指标
1.4.1 LD 驱动电源的设计要求
半导体激光器驱动电源的设计,需要满足对电流、温度、安全性等方面的 要求。 1. 对输入电流的要求 半导体激光器的工作原理是依赖于载流子的注入,注入电流的稳定性越高 半导体激光器的输出也就越稳定。基于这种特性,对驱动半导体激光器的电源 的要求必须是一个恒流源,而且这个恒流源输出的电流的稳定度是非常高,其 纹波系数是非常小的,否则半导体激光器的工作状态就会受到影响[3]。 2. 对温度的要求 半导体激光器由于在工作的时候会产生出大量的热量,此时半导体激光器 件的温度会有所升高将使得激光二极管输出波长发生漂移。因此,激光器的散 热是重要的,为了保证器件性能的稳定及寿命,应将半导体激光器件工作温度 控制在一定的范围内。 3. 对 LD 安全性的要求 半导体激光器对于电流冲击的承受力是非常差的,特别是对于一些大功率 的半导体激光器,可能是因为日光灯在开关电网时产生干扰导致其损坏也可能
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是由于手触摸到它产生静电导致其受损[4]。因此,对半导体激光器的电源要求 必须含有抵抗电流冲击的环节。

1.4.2 LD 驱动电源的设计指标
根据 LD 驱动电源的设计要求本驱动电源的设计要求如下 (1) 恒流输出 0-200mA 连续可调; (2) 温度控制范围 10-40℃; (3) 温度控制精度±3℃ (4) 电流控制精度不小于 10-3

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第2章 半导体激光器特性及总体方案的设计
2.1 半导体激光器的工作原理
当自发辐射时,高能态电子自发跃迁到低能态,释放的能量转换为光子, 这些光子具有随机的方向、相位和偏振状态,出射光为非相干光。在受激辐射 时,处于高能态的电子受到入射光的激发跃迁到低能态而产生光子,出射的光 子与入射光子具有相同的频率、方向、相位和偏振状态,出射光为相干光,半 导体激光器正是利用这个原理进行工作的[5]。正如图 2-1 所示。
能 量 E 导带
Ec

Efc 电 子

Eg Ev 空穴

Hv

Efv 价带 K=2π/λ 波失

图 2-1 半导体材料的能带结构

最简单的半导体激光器由带隙能量较高的 P 型和 N 型半导体材料、中间夹 一层很薄的另一种半导体材料构成, 图 2-2 为典型半导体激光器的结构示意图。 从它的原理来看,半导体激光器相比于其他类型的激光器在本质上是没有任何 的差别的,它们的工作原理都来自于受基辐射[6]。
金属接触 注入电流

P区 N区 激活区 自然解理面

图 2-2 典型半导体激光器结构示意图
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如图 2-2 所示,如果在金属接触时在 PN 结上加上正向偏置,在 PN 结处, 电子与空穴就会复合产生光子。如果给出一个稍微小的电流时,通过结区的电 子与空穴的浓度就不能达到复合的要求,在此时辐射的能量就不足以克服吸收 的能量,因此激光器只能发生自发辐射,出现的光是普通光;随着电流的逐渐 加大,此时在结区的电流以及空穴的浓度逐渐升高,这时就会产生十分亮的荧 光。但是如果辐射的能量不足与在谐振腔内的损耗时,就不能在谐振腔内产生 光震荡。如果要产生真正的激光注入的电流一定要足够大,才能克服损耗[7]。

2.2 半导体激光器的特性
2.2.1 半导体激光器的 V-I 和 P-I 特性
在半导体激光器两端加上电压 V,就会在激光器中引起注入电流 IF,此时 非平衡的载流子就会复合与此同时就会产生光功率 P0,半导体激光器的主要工 作性质就是电压与注入电流的关系曲线,以及随着注入电流 If 变化光功率 P0 的 变化曲线。

电压(V)

光功率P0 (mW)

0

注入电流IF (mA)

0

Ith

注入电流IF (mA)

图 2-3 LD V-I特性曲线

图 2-4 LD P-I特性曲线

从图 2-3 可知,当注入输入的电流极小时,只会发生自激震荡,在此时半 导体激光器是不会发出光的。但随着电压的加大,直到超过某个特定的值时, 此时注入的电流就会急速的提升将直接导致半导体激光器发出荧光。从图 2-4 看出,当注入的电流时十分小的时候,在半导体激光器内主要发生的是自发辐 射,也就是说此时发出的光是荧光。紧接着不断地增大注入电流,在半导体激
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光器内就会产生受激辐射,于此同时输出光的功率就会有所提升。而那个临界 的电流值就是阈值电流 Ith,而这个电流值就是图 2-4 出现拐点的位置。而往往 不同的半导体激光器其阈值电流也是不同的,在应用上往往希望其阈值电流要 尽可能的小。所以我们可以知道,当注入的电流比阈值电流小时是不会发出激 光的,只有当注入电流大于预支电流时,才会发出激光[8]。 就理论而言半导体激光器工作在一定的范围内,可以看出光功率 P0 与注入 的电流 If 应该是一种严格的线性关系,但在实际的过程中该曲线不够光滑,是 存在拐点的,也就是说,当该激光二极管工作在出现拐点的驱动电流点时,其 输出光功率与驱动电流值不成线性比例关系。

2.2.2 半导体激光器的温度特性
1. 温度对功率的影响 半导体激光器对温度的变化感应能力是非常强的或者说温度的要求是非常 高的,伴随着温度的变化其输出功率的变化也是非常大的。图 2-5 给出了一只 λ=1.31?m 的 GaInAsP/InP 半导体激光器在 10-130℃ 的 P-I 特性曲线。图中底端 有一些非常靠近坐标轴的曲线,它们对应的电流即为阈值电流 Ith ,研究表明而 Ith 和温度的关系可以表示为: Ith(T)=Io exp(T/T0) (2-1)

式中 T——半导体激光器件的绝对温度; T0——LD 的特征温度; I0——常数,它是 时阈值电流的 1/e T0 的大小是受到其用的材料以及制造的结构的影响的,T0 表明阈值电流 If 对温度的敏感程度[9]。在实际中往往是 T0 越大,半导体激光器的温度性质就越 好,基于上面所讲,在使用半导体激光器的过程中,我们队半导体激光器的温 度必须进行严格的控制,让它能够正常的工作使其不受到任何的损坏。这样就 能够使设计的驱动电源达到我们预先设定的要求,达到更好的效果。图 2-5 呈 现的就是不同温度下的半导体激光器的输出温度特性。

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输出功率P/mW

10 8 6 4 2

10℃ 20℃ 30℃ 40℃

50℃ 60℃ 70℃

80℃

90℃ 100℃ 110℃ 120℃ 130℃

50

100

150

200

注入电流I/mA

图 2-5 半导体激光器在不同温度的输出特性曲线

从图中可以看出随着温度的身高,阈值电流逐渐升高,P-I 的线性关也 逐渐恶化,尤其在 50-130℃ 之间。 2.温度对波长的影响 半导体激光器输出的波长是极其不稳定的,它是受到其掺杂的浓度、工 作的电流以及它在工作时的温度影响。伴随着半导体激光器的温度升高,半 导体激光器材料的折射率以及带隙的宽度也会随之发生变化, 此时光谐振腔 的尺寸就会越来越大, 带隙越来越窄,这时半导体激光器的输出光的波长的 最大值就会向波长越长的方向移动,紧随着温度的升高[10]。就 InGaAsp 激 光器而言,它的变化率为 0.4-0.5nm/℃ ,而 GaAs 激光器,它的变化率就稍微 小的约为 0.2nm/℃ , 在恒功率的条件下其波长温度的关系呈现出一种线性正 如图 2-6 看出。在平时的应用上,我们必须的温度进行严格的控制,这样我 们就能够把波长调制到我们所需要的范围上。 这样就能够更加的达到设计的 要求,更加的符合最初的设想。

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峰值波长(nm)

848 846 844 842 840 838 836 20 30 40 50 温度 P0=3mW

图 2-6 温度对 LD 发射波长的影响

2.2.3 半导体激光器的调制特性
在实际中我们发现,半导体激光器是非常容易调制的,从上面所叙中我们 知道注入的电流与半导体激光器的输出功率呈现的是一种线性的关系,由此我 们就能通过控制注入的电流来控制半导体激光器的输出功率。并且在控制的工 程中我们发现其响应的速度是非常快的。因此我们利用这个特点让它与电子电 路的电路直接连接来实现单片集成的作用[11]。

2.3 LD 驱动电源的设计方案
根据设计要求,以及激光二极管本身特性,提出如下的设计方案

2.3.1 方案的提出
1.方案一 该方案主要由电流驱动和温度控制两个部分。在电流驱动部分,由键盘向单片 机输入电流目标值, 单片机根据电流一电压的线性关系控制 DAC 输出相应的电 压,从而控制与其相连的 MOSFET 的导通程度,此时电压-与电流的转换就能 得以实现, 然后将得到的电流通过半导体激光器实现半导体激光器的驱动环节。
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驱动单元

保护电路

温控单元

设定电路

驱动电路

半导体激光器组

图 2-7 总体方案一

2.方案二
A/D电路 晶振电路

D/A电路 模拟电路 按键电路 51单片机 复位电路

显示电路
图 2-8 总体方案

该方案由主要由模拟电路及数字电路组成。它是通过功率器件 MOS 管控 制其栅极的电压从而控制半导体激光器的电流控制这样我们就能间接地控制 MOSFET 的导通程度。在此过程中,运用负反馈和 PI 算法进行双重闭环控制, 以稳定电流输出、减少动态平衡时间,在这之外由于半导体激光器对于外界的 条件要求是非常的高的,因此在设计中还包含着一些必要的保护措施,基本包 括防上电冲击,过流的保护,以及静电的维护。在温控环节中,半导体制冷器 是必要的部分[12]。它的工作原理是基于帕尔贴效应实现的。帕尔贴效应是指直 流电通过两种不同的导电材料构成回路时,结点吸热与放热的现象。

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2.3.2 方案的选择
在半导体激光器的运行过程中,注入电流的大小和器件温度间的关系是密 切相关的。伴随着注入电流的不断升高,半导体激光器的温度也会随之升高, 温度的升高又会反过来影响半导体激光器的输出功率以及波长。因此,设计的 驱动系统必须整合恒流模块与温控模块两部分的功能,虽然方案二能够达到恒 流的要求但是并没有恒流模块,而半导体激光器在运行的过程中又是非常不稳 定的,特别是随着温度的升高其输出特性呈现出非线性变化,尽管方案二操作比 较方便,易于达到,但是非常的不温度特别是在运行的过程中,所以选择方案一更 加的符合设计的要求。

2.3.3 方案的介绍
1. LD 恒流模块 驱动电路单元可以实现对 LD 进行不同驱动方式的驱动功能。 LD 的驱动方 式大致有两种一种是电流驱动(ACC)另外一种是恒功率驱动(APC) 。在此次 毕业设计里, 所采用的是 ACC 恒流驱动。 它直接通过反馈控制回路来驱动电流, 使电流漂移最小且使激光二极管输出稳定性最大。在半导体激光器不工作的时 候必须含有保护电路这样才不会因为经典而导致其受到损坏;在 LD 工作状态 下, 为了防止其因电流过大而损坏 LD 的限幅电路, 以及用于设定 LD 工作电流 的设定电路。 2. LD 温度控制模块 半导体激光器的特性在不同温度下不同,所以需要对工作的激光器进行温 度控制。温度的变化经过温度传感器的加工,使温度变化的信号转化为电流的 信号,在与原先设定的温度进行比较,此时就会有一个偏差信号,偏差信号经 过 PI 控制环节来使半导体制冷器工作,这样温度就会稳定在一定的范围内。在 此论文中我们所选择的是温度传感器是热敏电阻,来实时监测半导体激光器的 温度。 致冷器是热电制冷器, 它是利用帕尔帖效应的半导体致冷器件, 体积小、 结构简单易控制。在工作的时候由于其一端是冷端效应一端是热端效应,因此 我们可以控制电流的走向来控制冷热面[13]。 3. LD 保护模块 我们已经知道半导体激光器对于电流的承受能力是非常弱的,在实际的应 用当中,我们发现比较常出现电流冲击是开关电源时产生的浪涌冲击以及电网
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波动产生的电压信号。因此在使用中为了保护半导体激光器不会因冲击导致其 受到损坏我们必须提供一些必要的保护措施。其中包括短路保护开关的设定, 涌浪电流消除电路的设定以及软启动程序过程,软启动程序可以由计算机的控 制来实现。这种电源的可靠性高,稳定性好,就是价格有点昂贵,在实际过程 中,我们只要对半导体激光器稍加改进,就可以实现软启动功能[14]。

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第3章 系统硬件设计
3.1 系统恒流源的设计
3.1.1 驱动原理
我们所知道半导体激光器有恒流工作的方式以及恒定功率这两种工作方式, 在这次的毕业设计中我们选择前者作为主要控制方法, 设计的原理框图如图 3-1 所示。
ACC选择开关

比例积分 控制环节

ACC反馈

限幅电路

功率放 大电路

取样电阻

保护电路

半导体激光器

图 3-1

LD 驱动单元原理框图

从理论上来讲就是将输出端的信号通过反馈来与输入端的设定值进行比较, 于是就会产生偏差信号,然后偏差信号就会通过调节器控制功率放大这一个重 要的环节,由此来控制信号的放大[15]。

3.1.2 LD 驱动电路设计
ACC 控制的主要电路如图 3-2 所示。在本次的设计中的恒电流驱动通过电 阻 R10 两端的电压作为反馈端的输入, 而反馈信号会通过一个 U4 比例放大器, 它的比例放大倍速为 1:1,又通过一个反向器后进入到反向求和运算放大器的 负相端,由此会与预定好的值进行相应的比较,而在输出端就输出两个的差值
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经限定电路和积分电路后,送入功率放大电路的输入端。如果你想要得到一种 输出相对来讲比较稳定的激光,对输入的电流的要求是十分高的,所以在选择 电源时必须要求是一个恒流源。
+15 V R9 3K

S
Q2 G J1 43

2

D

+15 V

D S

G

C6 R1 4 .7K I_ PDBIAS +15 V C2 0 .1u F 8 5V 4 C1 1 0u VR1 3 U1A GND 5 LT1 01 3 R3 1 .5K 1 U1B 7 LT1 01 3 C4 C5 0 .01 uF R7 1K G

0 .1u F

D

1

6

6

G R10 A--1

9 R6 1K 10 U1C

0 .1u F R8 8 2 20

2

S

S D

Q1

GND

LM3 36

A K

Z1

0-2A 1 /5W

C7 0 .1u F

LD
A--2

1

2

C3

0 .1u F R14 1K +15 V C8 0 .1u F

2

IF_SET

GND

GND

GND GND -1 5V GND

R13 1 0K +15 V C10 0 .1u F

7

GND 2 1 R12 1 0K GND 6 R11 U4 INA11 8 8 3

6

GND 4 5 U3A LT1 01 3 C11 0 .1u F GND 3

2

5
C9

-1 5V

0 .1u F -1 5V GND

图 3-2 ACC 控制电路

3.1.3 功率放大电路设计
从前面的内容我们知道,半导体激光器的输出是与注入的电流呈现出一种 线性关系的。如果你要使激光器的输出相对稳定的话,那么对于供电电源的要 求就一定要是低噪音的稳定恒流源。在 U1C 和 Q1 组成的电路中,可以看出这 是一个通过两个路径反馈信息的反馈环电路。 在此电路中含有 R7 直流反馈通 道和 C5 交流反馈通道。 因为在直流反馈通道中在反馈的网络里已经包含着场效 应管的非线性效应,这样就能够保重输出稳定性,它的主要作用是控制输出电 压,应该是负载上的。在交流通道上输出端取出电压,这个电压是没有任何相 位失真的, 最终反馈到输出端[16]。 我们知道电容是具有阻抗特性的, 在高频时。 此时正确信息的含量就将超过错误信息,这样电路的稳定性就能够得到保证。 我们知道功放电路的输入信号是积分环节的输出,而输出信号是什么呢? 就是通过半导体激光器的电流信号,由此我们知道它其实是具有电压电流转换 作用的电压保持器。 这里利用 N 沟道增强型 MOS 管 Q1 采用负反馈的形式。 根 据输入电压的大小来改变 LD 驱动电压的大小,以实现对 LD 的驱动。
-14-

4

+15V R9 3K
S D S D

G

Q2 G J143

C6 0.1uF 0.01uF C4 C5
6

R7 1K G

D

G R10 A--1
S

9 8 1 U1B 7 LT1013
2

R6 1K

10

U1C

8

0.1uF R8 220

S D

Q1

GND

0-2A 1/5W

C7 0.1uF

LD
A--2

GND

图 3-3

ACC 控制功率放大电路

3.1.4 保护电路的设计
1.稳压电路 在整个的参数电路中,每一个参数都是从稳压管稳压电路中取出的电压信 号,因此在这里首先着重介绍一下稳压管稳压电路。 稳压管稳压电路:通过整流滤波电路使得正弦交流电压变为相对来讲比较 平滑的直流电源,但是我们知道输出电压的平均值是副边框电压的有效值,所 以伴随着电压的变化,输出的电压的平均值就会发生变化,在整流滤波电路中 是存在着内阻的,尽管是非常的小,但当负载发生改变的时候,此时负载上的 电压信号就会发生相应的变化,但是输出电压平均值反而会发生相反的变化。 2.限幅电路 该电路主要由运放 U2A、二极管 D1、电容 C13 等组成,如图 3-4 所示。限 幅电路的作用是将从反相求和运算电路 U1B 中出来的反馈电压限定在 LD 驱动 电流极限—— IF LIMIT 电压信号以内。

-15-

+15V

C13

0.1uF

R15 4.7K

IF-MO N
R16 4 3 VR2 1K

+15VC14 0.1uF
6

5V
Z2 LM336

C12 10uF

U2A

GND 5 LT1013 C15 0.1uF GND

D1

GND

GND

GND

图 3-4

LD 限幅电路

其工作原理是 IF LIMIT 信号送入运放 U2A 的同相输入端,作为正向参考 电压。当从反相电路 U3A 中出来的反馈电压高于 IF LIMIT 电压(此时说明 LD 的驱动电流大于了设定的上极限值,需要降低驱动电流的大小)时,运放 U2A 输出负电压,二极管 D1 导通,通过 D1 的钳位作用使驱动级前级运放 U1B 的 输出端电压下降从而使 LD 的驱动电流下降[17]。

3.1.5 半导体激光器的保护措施
半导体激光器对电流或是电压冲击的承受力是非常差的。我们不难发现在 半导体激光器的使用过程中,二极管遭到击穿事件也是时有发生的。据初步统 计, 目前在我国 LD 遭到损坏大概原因有: 一 LD 腔面污染, 这是最主要的原因。 排在第二的原因为浪涌击穿。而浪涌击穿又可以分为:静电击穿,正方向浪涌 击穿和正方向电流。针对不同的击穿在下面提出了不同的保护措施。 (1)静电保护开关 :在激光器的两端加入一个开关,这个开关是与地相 连的,这样就构成了一个短路回路了,这时激光器就不工作了,开关常闭,这 样激光器就会受到保护, 不会受到静电的影响。 同时在 LD 两端并联一个电阻, 防止 LD 受到损坏。 (2)短路保护开关 :基本上是通过一个比较小的电阻并联与半导体激光 器的输入通道上,当驱动半导体激光器电源时,首先要做的就是把短路保护开 关闭合,通过这一个步骤我们就能够使冲击的电流无法通过激光器,就能起到 保护的作用;当驱动激光器的电源达到稳定的时候,我们就需要把那个开关断 开,然后逐渐的加大通过半导体激光器的电流。但是也记住切断电源以前,要 率先闭合短路保护开关,这样就能够起到保护激光器的作用。
-16-

2

-15V

(3)激光器慢启动 :为了解决半导体激光器驱动电路的瞬间变化至使半 导体激光器可能击穿的威胁,在电路中积分环节,使其驱动电流缓慢地达到设 定值,并由单片机实现激光器的软启动[18]。 (4) 限流电路 : 流过电流的大小严重影响着半导体激光器的使用寿命, 如果流过半导体激光器的电流超过了其峰值电流,半导体激光器就会遭遇到击 穿的危险,可能造成它永远不能够正常的工作。为此本文利用运算放大器的饱 和特性和二极管的导向作用,设计了限流电路,确保 LD 工作在极限电流内。

3.2 恒流驱动硬件电路设计
3.2.1 模数转换器 AD574
转换器 AD574 是 12 位的转换器,在芯片的内部含有三态输出缓冲器,它 的输出可也直接连接到单片机的总线上。 我们知道 AD574 它的输入控制信号含 有 CE、A0、R/C 和 12/8。在 CE 为 1,R/C 与 CS 都是 0 的情况下,此时表示 A/D 转换,而当 R/C 等于 1 的时候,此时表示读取 A/D 转换后的数据。当我们 在使用 AD574 时,如果输入信号 A0 为?0‘此时设定为 12 位的 A/D,如果输入信 号 A0 为?1‘, 表示设定为 8 位的 A/D。 AD574 完成一次转换的时间大概是 15-35 微秒,当转换结束的时候,它从?1‘变为?0‘时,从?1‘到?0‘的下降沿告知单片机已 经结束, ,这时就可以读取 A/D 转换的结果。

3.2.2 采样/保持器 LF398
LF398 采样/保持器是采用双极型-场效应管工艺制成的集成芯片, 它的采样 速度快,精度比较的高,保持下降的速度比较慢,稳定性好。图 3-5 呈现的是 LF398 的内部结构电路图,从其中可以看出它其实就是一种反馈型采样/保持电 路。如果要使采样/保持器处于采样的状态,控制的信号必须是高电平;当控制 信号为低电平时,处于保持状态。输出会随着输入的变化而发生变化。 LF398 设有交直流调零端。 那如何进行直流调零呢?调节 1K 电位器的电刷 位置,使得在输入为 0V 时,输出电流电压为 0V。交流调零方法是调节 10K 电 位器的电刷位置使交流输出为 0V。 LF398 的逻辑输入的方式是差动电流输入方 式, 基于这种特性导致其可直接与 TTL 和 CMOS 电路连接, 其门限值为 1.4V。 我们知道 LF398 的供电电压为± 5V-± 15V。
-17-

图 3-5 LF398 结构图

3.2.3 多路切换开关 CD4051
在本设计中采用了多路切换开关 CD4051,, CD4051 是一种单端 8 通道多 路开关。CD4051 的内部结构如图 3-6 所示,从图中可以 CD4051 主要由逻辑电 平转换电路,带禁止线的译码器和开关电路 TG 构成。电平转换电路用来实现 由 CMOS 到 TTL 逻辑电平的转换, 因此输入电子范围宽, 数字信号的电平范围 为 3V~20V, 模拟信号的峰值可达 20V。 译码器用来对 3 位输入信号进行译码, 以实现对 8 路输入/输出信号的选取,开关电路 TG 由译码器的输出控制,决定 8 路输入/输出信号线的通断[19]。 如果在八个通道输入一个模拟在 输出端将输出 什么是自己设定。 例如, 若模拟开关的供电电源 VDD=+5V,VSS=0V,只要对此模 拟开关施加 0-5V 的数值控制信号,在这里,ABC 数字控制信号就可以使用 5V 信号了,因为 VDD 是 5V,里面控制部分就是 5V 逻辑。当 VEE=-5V 时,就可 控制幅度范围为-5V- +5V 的模拟信号。使用十六进制代码就可以对 CD4051 进 行控制了比如说 P1=0X07, 这样 CD4051 就选择的是 7 号 (二进制 111) 通道了。

-18-

IN0

TG TG TG TG TG TG TG TG .
公共端

IN1
IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7

带禁止线的译码器

VCC

VCC 电平转换电路 VSS

A

B

C

图 3-6 CD4051 结构图

3.2.4 89C51 和 AD574 及前置电路接口
AD574 与 89C51 单片机、 采样保持器 LF398 及多路开关 CD4051 的接口电 路如图 3-7 所示。图中 89C51 的 P0.0 口经锁存后接至 AD574 的 A0 输入端,以 防止 A0 在数据读取过程中发生变化。片选信号 CS 接地,保证低电平。WR 和 RD 通过一个非门来控制 CE,不管是在写的状态还是读的状态,CE 均为 1, WR 将产生 R/C 信号, 当执行外部的 RAM 的读指命令的时候, WR 处于高电平 的状态,而当执行写 AD574 口地址的操作的时候,此时,WR 处于低电平的状 态。12/8 接地,此时能够进行 12 位的切换,而切换的结果是分两次以左对准原 则来输出的。AD574 标志状态端主要是用来实现两个任务的,其中之一就是转 换读取的结果,STS 与单片机的 INT0 口连接起来,在转换结束的时候,STS 会发出一个脉冲 AT89C51 单片机发出一个信号来提出中断申请的要求, 此时单 片机会对中断的请求产生响应。另外一个任务就是反向信号会通过采样/保持器 来对信号进行控制与保持。在这里,根据 STS 信号特点,还将其作为 CD4051 禁止输入信号 INH。发生 A/D 转换的时候,此时 INH 处于高电平,通道是断开
-19-

的将直接导致模拟量的输入禁止通过,而当 A/D 转换结束的时候,此时 INH 为 低电平,通道就能够打开模拟量的输入就能够得到允许。既充分利用了 AD574 STS 状态端的信息,又可以节省单片机 AT89C51 的一根口线。
74LS373 P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 39 38 37 36 35 34 33 32 1 2 3 4 5 6 7 8 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 VL VCC VEE A0 10 0.1K 20 21 22 23 24 25 26 27 16 17 18 19 3 6 16 31 +5V 5 REFOUT DB4 DB5 DB6 DB7 DB8 DB9 DB10 DB11 DB0 DB1 DB2 DB3 CS RE 8 100K 0.1K +15V W1 1K AD574 +15V 13 VOUT LF398 VIN -5V R 24K CD4051 16 VCC IN0 IN1 IN2 OUT IN3 IN4 VEE IN5 VSS IN6 IN7 INH A B C
16 1 10 9

40

VCC

1 7 11

Q0

10

4

+5V +15V -15V -15V W2

R1 100K

+15V

REFIN
G 9

9

RST

BIPOFF

12

AT89C51

ALE P2.7 P2.6 P2.5 RD WR EA

30 28 27 26 74LS00 17

10VIN

3 15 8

C1 10pF

0.1uF C2

13 14 15 12 1 5 2 4

IF IFlimit Temp Tset Itec Vin VF

W2 10K

R/C DC AC 12/8 15 9 2

P2.5 P2.6 P2.7



19

XTAL1

INT0

12 LED R1 1K R2 1K

28

STS

P1.0 18 20

1 LED

74LS04

XTAL2 VSS

P1.1 P1.2 P1.3 P1.4

2 3 ACCON 4 TEMPON 5 JFFLON

图 3-7 AT89C51 和 AD574 及前置电路接口

3.2.5 LCD 显示模块
LCD(Liquid Crystal Display)是液晶显示器的缩写,它是一种被动式的显 示器,即液晶本身并不发光,而是利用液晶经过处理后能改变光线通过方向的 特性,从而达到白底黑字或黑底白字显示的目的。液晶显示器具有省电、抗干 扰能力强等优点,因此被广泛应用于智能仪器仪表和单片机测控系统中。本设 计使用的显示器型号是 TS1620[20]。 在液晶显示板上排列着若干 5× 7 或 5× 10 点阵的字符显示位, 从规格上分 为每行 8、6、20、24、32、40 位,有 1 行、2 行及 4 行等选择。
-20-

它由日本公司生产的控制器 HD44780、 驱动器 HD44100 及几个电阻和电 容组成。HD44100 是扩展显示字符位用的。内部具有字符发生器 ROM,模块内 有 64 字节的自定义字符 RAM,可自行定义 8 个 5× 7 点字符,同时还有 80 字节 的数据显示存储器。LCD 显示接口电路如图 3-8 所示。

图 3-8 显示模块

3.3 恒温模块的设计
图 3-9 呈现的是恒温单元原理框图温度控制单元。半导体制冷器的温度变 化引起温敏电阻的阻值变化,经 R/V 转换电路得到与温敏电阻阻值对应的电压 值,经过 PI 调节电路控制 OCL 驱动电路,通过改变电流的方向使可以使半导 体制冷。

-21-

温度设定

R/V转换电路

PI调节电路

半导体制冷器

温敏电阻

推挽功放电路

图 3-9 温控单元原理框图

3.3.1 半导体制冷器的工作原理
半导体制冷又称热电制冷。当有直流电流通过具有热电能量转换功能的材 料时,会使其制冷,基于这种特性把它命名为热电制冷。又因为半导体材料在 热电能量转换的表现上十分的优越,因而它的应用让热电制冷的实用化成为可 能。因此大家把热电制冷称之为半导体制冷[21]。

材料a 材料b

结点上吸热或放热取决 于电流I的方向

I

图 3-10 帕尔贴效应示意图

帕尔贴效应是半导体制冷器的基本工作原理。那么帕尔贴效应具体指的是 什么呢?它指的是当直流电通过两种不同的导电材料的时候并构成一个回路, 结点会发生吸热和放热的现象,正如图 3-10 所示。 我们知道 P 型材料里面含有的电子数量不是很多,有正温差电势,而在 N 型材料里面含有许多的电子,呈现出负温差电势,如果电子穿越结点从 P 型材 料到达 N 型材料,半导体制冷器的能量肯定会有所增加,增加的能量正好是在 结点处消耗的能量。在另一方面,如果电子穿越结点从 N 型材料到达 P 型材料 的时候,能量就会有所下降,结点的温度就会有所提高[22]。
-22-

用导热片把一个 P 型半导体和一个 N 型半导体元件连接起来并接通电源, 在接头处就会产生热电能量的转移。在一个接头的地方,电流方向 N—P,温度 下降并且吸热, 这是冷端。 而另外一个接头的地方, 电流方向 P—N, 温度上升。 这就是热端。一端冷端,另一端是热端。热交换器具有传热的手段,使热电堆 的热端会不断的散发出热量并且保持在一定的温度,把热电堆的冷端放到工作 的环境中吸热降温,热电制冷器的原理就是这样。

3.3.2 比例积分调节电路
在本设计中采取了并联负反馈的方式来进行 PI 控制,这里,电路主要由比 例、积分电路并联叠加而成,如图 3-11。这种组成的方式极大可能的避免了误 差级间的积累放大,对于提高本半导体激光器的精度是十分有利的。并联结构 的参数可以独立进行调节的。对于积分支路,当有误差信号 UI 输入时,在电容 上的电压不能够发生突变,C 相当于短路,这时放大器就处于较深的比例负反 馈的状态,增益下降,因而调节的过程比较的稳定。随着偏差的减小,C 上的 压降逐渐增大, 放大器的反馈减弱, 放大倍数也逐渐增大。 当调节过程结束时, C 相当于开路,放大器又回复开环时的高增益状态,就能够使它的静态精度得 到很好地保持[23]。
R 32 1K 3 VR5 3 1 0K 1 1 R 33 4 7K + 15 V C 24 0 .1u F R 34 2K

2

2

4 3 U8A GND 5

6
GND

LT1 01 3 C 25 0 .1u F

2

-1 5V

GND

3

VR6 1 0K

2

2

R 36 1 00 K

C 26 1 0u F

3

C 27 1 0u F

R 35 2K

1

1

8 R 37 1K 1 U8B 7

GND

6
U16 D--7 JF FLON AQV2 12

2 4

GND

6

R 38

+ 5V

2

1

1 .5K

图 3-11 比例积分调节电路 电阻 R29,R30 和运放 U8A 能够组成比例运算电路,若将运放看作理想运
-23-

放,则
U i ?U o U R ? ? o ? ? 33 ? ? K p R32 R33 Ui R32

(3-1)

式中 :
G1 ( s) ?

KP ?

R33 R32
(3-2)

其传递函数为 :

Uo R ? ? 33 ? ? K p Ui R32

当中的积分运算电路由电阻 R36、R35,电容 C26、C27,运放 U8B 组成, 如果运放处于理想的状态: Ui U U 1 其中 C ? C26 ? C27 ? ? o ? o ? ? R3 6 1 SC U R i 36 SC 则传递函数是:
G2 ( s) ? Uo 1 1 ?? ?? Ui R36 SC TI S

式中

TI ? R36C

(3-3)

总的 PI 电路传递函数由各环节传递函数的和组成,即:

G3 ? G 1(s) ? G ( 2s) ? ?( K p ?

1 1 ) ? ? K p (1 ? ) TI S K pTI S

(3-4)

如果加上温敏电阻反馈环节,那么总的传递函数为:
G( s ) ? ? K pTI S ? 1 1 ? (1 ? K p )TI S

(3-5)

电路中选用的运算放大器输入阻抗可达 300M?,共模抑制比 114dB,失调 电压系数达 2.5?V/℃ ,这为温度的高精度控制提供了保证。 当我们在利用数字 PI 控制器控制变化较为缓慢的对象的时候, 会因为偏差 的信号相对来讲比较大、偏差存在时间会比较长,将会致使控制器达到饱和或 者溢出进一步会造成系统的超调,甚至引起振荡。但是在阶跃信号的作用下, 偏差信号不可能在几个周期内就得以消除,积分项非常有可能致使其输出超过 正常的输出范围。其实采取积分分离的方法可以防止积分达到饱和。积分分离 其实就是当偏差信号大于积分的界限的时候,采取取消积分项的方法,而当偏 差小于这个设定值时,积分环节的作用就能够得以体现。本文通过软件实现积
-24-

分分离,如图 3-11,当温度偏差 Ui 大于± 3? C 时,单片机给开关 S1 发出一个控 制信号,使其开关闭合,从而取消积分项的作用[24]。

3.3.3 功率放大电路的设计
如图 3-12 所示,PI 调节器的输出即温控驱动级,采用推挽 OCL 功率放大 电路,电路以大功率 MOS 管为核心,半导体制冷器作为负载与之串联,通过 控制 MOS 管的栅极,从而实现对 TEC 电流的控制。这里 N 沟道增强型 MOS 管 Q3 和 P 沟道 MOS 管 Q4 采用正负反馈的形式, Q3、Q4 特性对称,采用了 双电源供电。当输入的电压比零大时,即正电源供电时,Q3 管导通,Q4 管截 止,电路为源极输出形式,输出电压约等于输入电压;当输入电压小于零时, 即负电压供电,Q4 管导通,Q3 管截止,电路还是源极输出形式;电路能够让 Q3 和 Q4 交替的工作,输入与输出双向跟随,正﹑负电源交替供电。系统会根 据需要升温或降温来调节帕尔贴器件上电压的极性,来实现制冷或是制热的功 能[。 在功率放大端是用增强型场效应管是因为与三极管比较,它具有抗干扰性 强,温度稳定性高,输入阻抗大等优点。
+15 V C 34 1 00 uF/3. 5V

C 35

0 .1u F

R 48 1 0K C 33 1 00 PF

GND

K15 29 G G

D 6
R 47 1 0K GND 8 1 U10 B 7 R 49 2 20 G Q4 J2 00 C 36 0 .1u F

S

S D

Q3

R 50 0 .5/ 5W G

R 44 1 0K

R 45 1 0K

C 37 1 00 uF/3. 5V

GND

图 3-12 功率放大电路

-25-

D
-1 5V

DS

Ui

2

S

3.3.4 热敏电阻线性化
我们知道热敏电阻的阻值随着温度的变化会有所改变,大概有三种其中之 一是正温度系数热敏电阻 PTC,还有就是负温度系数热敏电阻 NTC 以及临街 温度系数热敏电阻 CTR.后两者在某个特定的温度范围内, 阻值会随着温度的变 化而发生急剧的变化。所以,它们不能对较宽的温度范围进行相应的测量。由 于激光器工作的温度范围较大,故激光器组件中的热敏电阻使用负温度系数热 敏电阻(NTC)[25]。
表 3-1 热敏电阻 R-T 特性表 温度(℃ ) 阻值(Ω)

0 5 10 15 20 25 30 35 40

27940 22470 18190 15430 12140 10000 8599 6899 5774

负温度系数热敏电阻随着温度的升高其阻值会发生急剧的下降,制成 NTC 的材料通常是 Mn、Co、Ni、Cu 等金属氧化物。它的阻值与温度的关系可以表 示为如下面所示:

?1 1 ? RT ? RT0 exp B? ?T ? T ? ? 0 ? ?
式中 :

(3-6)

RT——在 T,T0 温度时电阻值; B——负温度系数热敏电阻的材料常数 由于热敏电阻体积比较小,反应比较快,并且功耗比较低。使得它应用与
-26-

动态温度的测量中以及表面温度的控制当中。半导体激光器组件中常用温敏电 阻的温度系数 B=3450,选取 0~40℃ 测量范围,该段 R—T 特性见表 3-10,其 特性曲线如图 3-1。
阻值 30000 25000 。 20000 15000 10000 5000 。 。 。 。 。 。 。 。

0

10

20

30

40

温度

图 3-14 热敏电阻特性曲线

从图中可以看出热敏电阻的阻值与温度呈线出非线性的关系,这时就需要 进行线性补偿。在该设计中采取了单放大器带增益的方法,补偿电路的原理如 图 3-13 所示 。

图 3-13 热敏电阻线性化电路

根据热敏电阻和理想放大器的原理得

Va ? Vo

Rt Rs ? R f R ( R ? Rt ) Rs
-27-

(3-7)

用泰勒级数展开, 忽略四阶以上高次项, 得到 RS=5.6K?, Rf=26.8K?, R=6.03K?, 取 Va=-1V,Vo=50mV/℃ 。

3.4 辅助电路设计
3.4.1 温度设定电路
本次设计的电路能够实现在一个指定的温度点保持相对的稳定。此温度可 由设定电路预先设定。设定电路由电位器 VR3,电阻 R28,稳压管 Z4 和电压 跟随器 U7A 组成,如图 3-14 所示:稳压管 Z4 提供一电压,调节电位器 VR3 进行温度的设定。
+15 V

R28 4 .7K

+15 V C22 0 .1u F GND 5 LT1 01 3 C23 0 .1u F GND

LM336
Z4 5V

4 VR3 1 0K 3 U7A

TEMP _SET

GND

GND

图 3-14 温度设定电路

3.4.2 限幅电路设计
如图 3-15 所示为了防止注入的电流过大导致 TEC 制冷器受到损坏,我们 需要对驱动的电流进行控制。所以我们需要一个限幅电路,限幅电路的功能是 将从 PI 控制调节器中出来的电压信号控制在所设定的范围内。 TEC 制冷器温度 的限幅值设定电路主要由从稳压电路输出的+5V 电路和电位器 VR4 组成, 从电 位器的 2 端得到与设定电流相对应的电压值,作为限幅电路的参考电压。限幅 分为正幅和负向限幅[26]。

-28-

2

6
-1 5V

Ui

+15 V C 29 0 .1u F +15 V 4 R 39 4 .7K 3 U9A GND 5 LT1 01 3 D3

6 2
C 30 0 .1u F -1 5V GND Z5 LM3 36 VR4 R 40 R 41 4 .7K D4 U9B 7

5V

C 28 1 0u F

8 GND GND GND 1

GND

图 3-15 限幅电路

当 Ui 为正电压时,负向限幅电路将不起作用,正向限幅电路将起作用;当 Ui 是负电压时,正向限幅电路将不起作用。正向的限幅电路主要由 U9A,二极 管由 D3 组成,其原理是当 PI 控制输出电压为正且高于设定电压时,比较器 U9A 输出为负电压,通过二极管 D3 的钳位作用使输出电压下降直到低于设定 电压为止;负向的限幅电路主要由 U9B,二极管 D4 及电阻 R40,R41 组成,其为 一过零比较器,其原理与正向限幅电路类似,在这里不再叙述。

-29-

2

6

IFLIMIT

4 .7K

第4章 软件设计
4.1 主程序设计
系统初始化以后,延时 3 秒,为的是让输入电流稳定下来保护 LD 因电流 不稳而损坏激光器, 然后通过给 89C51 单片机 P1.2 口提供一个低电平启动 LD, 调用 A/D 数据转换器,对所要进行的数据进行采集、转换以及处理等。而后调 用报警子程序,如果输入 LD 的电流超过所要规定的极限即 IF>IFlimit,单片 机将控制激光器电流保护开关断开, 并且通过 P1.0 口控制的二极管发出红光报 警;如果 LD 温度超过了所要规定的极限值即 TEMP>Tlimit,单片机将控制激 光器温度保护开关断开,并且通过 P1.1 口控制的二极管发出红光报警;在温度 控制电路中,积分分离开关时用来控制当温度偏差大于 3℃ 时,开关断开,通过 89C51 单片机 P1.4 口进行控制。其程序流程如图 4-1 所示。
开始

初始化

延时3秒

启动LD

调用A/D子程序

调用报警子程序

结束

图 4-1

主程序流程图

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4.2 键盘输入程序设计
本文中驱动及温控系统的键盘设置采用外部中断的方式运行以避免单片机 对键盘接口循环扫描,减少响应时间,降低单片机的工作负担。键盘中断流程 见下图 4-2。
中断主程序

保护现场

开中断

N 有键按下

Y 读取键值

恢复/重置现场

中断返回

图 4-2 键盘中断子程序流程图

4.3 A/D 转换子程序设计
图 4-3 就是 A/D 转换子程序流程。本次设计需要采集和转换的模拟量数据 有:IF、IFlimit、TEMP、TSET、Tlimit、ITEC、VIN 和 VF 八路信号,通过通道计数器 来控制每个口的模拟量数据输入,各数据存储单元分配如下: 内部 RAM 的 40H 以后的若干单元:数据堆栈区 内部 RAM 的 60H~61H 单元存放:IF
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62H~63H 单元存放:IFlimit 64H~65H 单元存放:TEMP 66H~67H 单元存放:TSET 68H~69H 单元存放:Tlimit 70H~71H 单元存放:ITEC 72H~73H 单元存放:VIN 74H~75H 单元存放:VF
开始

启动AD转换

第一路模拟信号输入

读第一路数据

N 第一路结束位判断 Y

第二路模拟信号输入

读第二路数据

N 第二路结束位判断 Y

第七路结束位判断

Y 结束

图 4-3 A/D 转换子程序流程图
-32-

4.4 报警子程序设计
其程序流程如图 4-4 所示。当驱动电流 IF>IFlimit 时,通过给单片机 89C51 的 P1.0 口置位,发光二极管发出红光报警;当温度 TEMP>Tlimit 时,通过给单片 机 89C51 的 P1.1 口置位,发光二极管发出红光报警。
开始

初始化

N IF>IFLIMIT

开关断开

指示灯亮

N

TEMP-TSET>3℃

积分分离开关断开

N

TEMP>50℃

开关断开

结束

图 4-4 报警子程序流程图

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伴随着现在科学技术的迅猛发展半导体激光器技术在电子学领域中越来越 占据着举足轻重的地位,研究半导体激光器是具有十分重要的意义的。 本文主要是针对带有温敏电阻和致冷器的半导体激光器组件设计的驱动电 源。本次设计的半导体激光器驱动电源,结构简单,成本低,它适用于一部分 常用的半导体激光器。设计中采取了 ACC 恒流反馈控制。对温度控制中采用了 积分分离的思想,避免了积分饱和现象,可以实现对温差信号的快速的响应。 系统中采用纯积分环节作为 LD 的驱动控制调节器,这有别于其它同类驱 动系统中常采用的比例调节器和比例积分调节器,避免了系统超调和振荡,同 时又具有激光器慢启动作用。同时,针对 LD 不同的损坏原因,提出不同的解 决措施,如短路开关用来保护激光器不被静电击穿,限流电路防止过电流,软 启动防止突变电流对半导体激光器形成浪涌冲击,保护措施简单、全面而又行 之有效,此为本课题的重要特点。

-34-





经过几个月来辛苦的努力与学习,我的毕业设计行将结束,这也就意味着 我大学生涯的结束, 在这个毕业的季节有着许多的事情值得我们去感激去感谢。 在这里首先我要感谢的就是我的导师潘洪亮潘老师。潘老师治学严谨,从 不拖泥带水,对待学生一丝不苟,充满着责任心,平时的生活中十分的和蔼是 我们的良师益友。在此次的毕设中,我在潘老师身上学到了许许多多的知识, 他缜密的思维一丝不苟的精神对我今后的生活充满着影响。从论文的选题过程 到论文的最后交稿,在这个过程中无时无刻不充满的潘老师心血的注入。当我 在做毕业设计过程中碰到瓶颈时,我都会向潘老师请教,潘老师也会不厌其烦 的教我指导我,我深深的被他的治学态度影响到了,我相信对我今后的生活会 产生积极的影响。在这里我要衷心的感谢潘老师,希望他在今后的学术的研究 中更上一层楼。 其次我要感觉各位帮助过我的同学我的老师,因为有他们的帮助,我在学 习的路上才会走得顺利。 天下无不散之筵席,就算我离开了大学的校门,我也会时刻保持一颗天天 向上的心, 不断地追求进步, 曾经有人说过―路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索‖ 相信这也会是我今后生活中最好的写照。再一次感谢那些在我生活学习中给我 帮助的老师同学朋友,希望他们的生活越过越美好。

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参考文献
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