基于單片機(jī)的半導(dǎo)體激光器電源控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

半導(dǎo)體激光器(LD)體積小，重量輕，轉(zhuǎn)換效率高，省電，并且可以直接調(diào)制?；谒亩喾N優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已在科研、工業(yè)、軍事、醫(yī)療等領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用，同時(shí)其驅(qū)動(dòng)電源的問題也更加受到人們的重視。使用單片機(jī)對(duì)激光器驅(qū)動(dòng)電源的程序化控制，不僅能夠有效地實(shí)現(xiàn)上述功能，而且可提高整機(jī)的自動(dòng)化程度。同時(shí)為激光器驅(qū)動(dòng)電源性能的提高和擴(kuò)展提供了有利條件。

　1總體結(jié)構(gòu)框圖

　　本系統(tǒng)原理如圖1所示，主要實(shí)現(xiàn)電流源驅(qū)動(dòng)及保護(hù)、光功率反饋控制、恒溫控制、錯(cuò)誤報(bào)警及鍵盤顯示等功能，整個(gè)系統(tǒng)由單片機(jī)控制。本系統(tǒng)中選用了C8051F單片機(jī)。C8051F單片機(jī)是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片(SOC)，他在一個(gè)芯片內(nèi)集成了構(gòu)成一個(gè)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集或控制系統(tǒng)所需要的幾乎所有模擬和數(shù)字外設(shè)及其他功能部件，如本系統(tǒng)中用到的ADC和DAC。這些外設(shè)部件的高度集成為設(shè)計(jì)小體積、低功耗、高可靠性、高性能的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)提供了方便，也大大降低了系統(tǒng)的成本。光功率及溫度采樣模擬信號(hào)經(jīng)放大后由單片機(jī)內(nèi)部A／D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，進(jìn)行運(yùn)算處理，反饋控制信號(hào)經(jīng)內(nèi)部D／A轉(zhuǎn)換后再分別送往激光器電流源電路和溫控電路，形成光功率和溫度的閉環(huán)控制。光功率設(shè)定從鍵盤輸入，并由LED數(shù)碼管顯示激光功率和電流等數(shù)據(jù)。
 

　　2半導(dǎo)體激光器電源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　目前，凡是高精密的恒流源，大多數(shù)都使用了集成運(yùn)算放大器。其基本原理是通過負(fù)反作用，使加到比較放大器兩個(gè)輸入端的電壓相等，從而保持輸出電流恒定。并且影響恒流源輸出電流穩(wěn)定性的因素可歸納為兩部分：一是構(gòu)成恒流源的內(nèi)部因素，包括：基準(zhǔn)電壓、采樣電阻、放大器增益(包括調(diào)整環(huán)節(jié))、零點(diǎn)漂移和噪聲電壓；二是恒流源所處的外部因素，包括：輸入電源電壓、負(fù)載電阻和環(huán)境溫度的變化。

　　2.1慢啟動(dòng)電路

　　半導(dǎo)體激光器往往會(huì)因?yàn)榻釉谕浑娋W(wǎng)上的多種電器的突然開啟或者關(guān)閉而受到損壞，這主要是由于開關(guān)的閉合和開啟的瞬間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很大的沖擊電流，就是該電流致使半導(dǎo)體激光器損壞，介于這種情況，必須加以克服。因此，驅(qū)動(dòng)電源的輸入應(yīng)該設(shè)計(jì)成慢啟動(dòng)電路，以防損壞，如圖2所示：左邊輸入端接穩(wěn)壓后的直流電壓，右邊為輸出端。整個(gè)電路的結(jié)構(gòu)可看作是在射級(jí)輸出器上添加了兩個(gè)Ⅱ型濾波網(wǎng)絡(luò)，分別由L1，C1，C2和L2，C6，C7組成。電容C5構(gòu)成的C型濾波網(wǎng)絡(luò)及一個(gè)時(shí)間延遲網(wǎng)絡(luò)。慢啟動(dòng)輸入電壓V在開關(guān)和閉合的瞬間產(chǎn)生大量的高頻成分，經(jīng)過圖中的兩個(gè)Ⅱ型網(wǎng)絡(luò)濾出大部分的高頻分量，直流以及低頻分量則可以順利地經(jīng)過。到達(dá)電阻R和C組成的時(shí)間延遲網(wǎng)絡(luò)，C2和C4并聯(lián)是為了減少電解電容對(duì)高頻分量的電感效應(yīng)。

　　2.2恒流源電路的設(shè)計(jì)

　　為了使半導(dǎo)體激光器穩(wěn)定工作，對(duì)流過激光器的電流要求非常嚴(yán)格，供電電路必須是低噪聲的穩(wěn)定恒流源驅(qū)動(dòng)，具體電路如圖3所示。

　　如圖3所示，該恒流源由運(yùn)放U1和三極管T1，達(dá)林頓管Q2進(jìn)行電流放大，再通過U2放大反饋，從而實(shí)現(xiàn)恒流輸出。TQ2以大功率達(dá)林頓管為調(diào)整管，將其接成射極輸出的形式，半導(dǎo)體激光器(LD)作為負(fù)載串聯(lián)在達(dá)林頓管的發(fā)射極，通過控制達(dá)林頓管的基極實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器電流的控制。本設(shè)計(jì)要求電路最大能輸出3 A工作電流，這就要求推動(dòng)達(dá)林頓管的基極電流也比較大，但因集成運(yùn)算放大器一般工作在小電流狀態(tài)，不能直接推動(dòng)達(dá)林頓管正常工作，即使勉強(qiáng)推動(dòng)其工作也會(huì)造成集成運(yùn)算放大器本身功耗過大，溫升過高，影響電路的輸出精度，所以采用小功率三極管T1推動(dòng)大功率達(dá)林頓管工作。采樣電阻接在激光器下端，采樣信號(hào)經(jīng)過由U2組成的同相比例放大環(huán)節(jié)放大后再接回到U1的反相輸入端，構(gòu)成電流負(fù)反饋電路，達(dá)到輸出恒流的目的。

　　2.3激光功率的穩(wěn)定控制

　　光功率反饋采用外部監(jiān)測光電二極管的輸出光電流，由放大器再經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后送CPU處理，得出控制量，調(diào)整激光器的工作電流，從而進(jìn)行激光功率的閉環(huán)控制。

　　溫度控制在本系統(tǒng)中采用了半導(dǎo)體制冷來實(shí)現(xiàn)，這是一種熱電制冷器，只要控制流過溫控器電流的大小和方向，就能對(duì)激光器進(jìn)行制冷或加熱，從而控制激光器的工作溫度。

　　2.4保護(hù)電路

　　雖然慢啟動(dòng)電路消除了高頻沖擊電流的危害，但不能有效地防止直流或低頻電流過載對(duì)半導(dǎo)體激光器的危害，因此，應(yīng)當(dāng)設(shè)立過載保護(hù)電路。一般可采用限流式保護(hù)電路。若長時(shí)間工作于短路的情況下，過熱仍然會(huì)導(dǎo)致調(diào)整管的損壞，此時(shí)可以采取截流式保護(hù)電路。過電壓保護(hù)的精度主要取決于穩(wěn)壓二極管，而其工作點(diǎn)是隨流經(jīng)穩(wěn)壓管的電流和環(huán)境溫度變化的，因此，設(shè)計(jì)上必須選用穩(wěn)定電壓的溫漂非常小的穩(wěn)壓管。

3軟件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)軟件采用模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，自頂向下，逐步細(xì)化，利用子程序構(gòu)成各模塊，如初始化模塊、鍵盤模塊、顯示模塊等。主程序流程圖如圖4所示。

　　在主程序流程中，系統(tǒng)上電復(fù)位后，開始進(jìn)行各模塊初始化，然后調(diào)顯示子程序，顯示數(shù)據(jù)，再調(diào)鍵掃描子程序，若有鍵按下，則調(diào)相應(yīng)的鍵功能程序，若無鍵按下，則循環(huán)調(diào)用顯示程序。

　　4結(jié) 語

　　本文中設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源的控制系統(tǒng)通過慢啟動(dòng)電路、恒流源電路和光功率反饋電路等，解決了恒流和在工作溫度范圍內(nèi)輸出功率的不穩(wěn)定問題，穩(wěn)定度較高。