基于單片機的半導體激光器電源控制系統(tǒng)的設計

半導體激光器(LD)體積小，重量輕，轉換效率高，省電，并且可以直接調(diào)制。基于他的多種優(yōu)點，現(xiàn)已在科研、工業(yè)、軍事、醫(yī)療等領域得到了日益廣泛的應用，同時其驅(qū)動電源的問題也更加受到人們的重視。使用單片機對激光器驅(qū)動電源的程序化控制，不僅能夠有效地實現(xiàn)上述功能，而且可提高整機的自動化程度。同時為激光器驅(qū)動電源性能的提高和擴展提供了有利條件。

　1總體結構框圖

　　本系統(tǒng)原理如圖1所示，主要實現(xiàn)電流源驅(qū)動及保護、光功率反饋控制、恒溫控制、錯誤報警及鍵盤顯示等功能，整個系統(tǒng)由單片機控制。本系統(tǒng)中選用了C8051F單片機。C8051F單片機是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片(SOC)，他在一個芯片內(nèi)集成了構成一個單片機數(shù)據(jù)采集或控制系統(tǒng)所需要的幾乎所有模擬和數(shù)字外設及其他功能部件，如本系統(tǒng)中用到的ADC和DAC。這些外設部件的高度集成為設計小體積、低功耗、高可靠性、高性能的單片機應用系統(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經(jīng)放大后由單片機內(nèi)部A／D轉換為數(shù)字信號，進行運算處理，反饋控制信號經(jīng)內(nèi)部D／A轉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半導體激光器電源控制系統(tǒng)設計

　　目前，凡是高精密的恒流源，大多數(shù)都使用了集成運算放大器。其基本原理是通過負反作用，使加到比較放大器兩個輸入端的電壓相等，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：一是構成恒流源的內(nèi)部因素，包括：基準電壓、采樣電阻、放大器增益(包括調(diào)整環(huán)節(jié))、零點漂移和噪聲電壓；二是恒流源所處的外部因素，包括：輸入電源電壓、負載電阻和環(huán)境溫度的變化。

　　2.1慢啟動電路

　　半導體激光器往往會因為接在同一電網(wǎng)上的多種電器的突然開啟或者關閉而受到損壞，這主要是由于開關的閉合和開啟的瞬間會產(chǎn)生一個很大的沖擊電流，就是該電流致使半導體激光器損壞，介于這種情況，必須加以克服。因此，驅(qū)動電源的輸入應該設計成慢啟動電路，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。整個電路的結構可看作是在射級輸出器上添加了兩個Ⅱ型濾波網(wǎng)絡，分別由L1，C1，C2和L2，C6，C7組成。電容C5構成的C型濾波網(wǎng)絡及一個時間延遲網(wǎng)絡。慢啟動輸入電壓V在開關和閉合的瞬間產(chǎn)生大量的高頻成分，經(jīng)過圖中的兩個Ⅱ型網(wǎng)絡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。到達電阻R和C組成的時間延遲網(wǎng)絡，C2和C4并聯(lián)是為了減少電解電容對高頻分量的電感效應。

　　2.2恒流源電路的設計

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

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　　如圖3所示，該恒流源由運放U1和三極管T1，達林頓管Q2進行電流放大，再通過U2放大反饋，從而實現(xiàn)恒流輸出。TQ2以大功率達林頓管為調(diào)整管，將其接成射極輸出的形式，半導體激光器(LD)作為負載串聯(lián)在達林頓管的發(fā)射極，通過控制達林頓管的基極實現(xiàn)對激光器電流的控制。本設計要求電路最大能輸出3 A工作電流，這就要求推動達林頓管的基極電流也比較大，但因集成運算放大器一般工作在小電流狀態(tài)，不能直接推動達林頓管正常工作，即使勉強推動其工作也會造成集成運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推動大功率達林頓管工作。采樣電阻接在激光器下端，采樣信號經(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，構成電流負反饋電路，達到輸出恒流的目的。

　　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)中采用了半導體制冷來實現(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，就能對激光器進行制冷或加熱，從而控制激光器的工作溫度。

　　2.4保護電路

　　雖然慢啟動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半導體激光器的危害，因此，應當設立過載保護電路。一般可采用限流式保護電路。若長時間工作于短路的情況下，過熱仍然會導致調(diào)整管的損壞，此時可以采取截流式保護電路。過電壓保護的精度主要取決于穩(wěn)壓二極管，而其工作點是隨流經(jīng)穩(wěn)壓管的電流和環(huán)境溫度變化的，因此，設計上必須選用穩(wěn)定電壓的溫漂非常小的穩(wěn)壓管。

3軟件設計

　　本系統(tǒng)軟件采用模塊化的結構設計，自頂向下，逐步細化，利用子程序構成各模塊，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)上電復位后，開始進行各模塊初始化，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)相應的鍵功能程序，若無鍵按下，則循環(huán)調(diào)用顯示程序。

　　4結 語

　　本文中設計的半導體激光器驅(qū)動電源的控制系統(tǒng)通過慢啟動電路、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。