陳 曉，賈華宇，郭 燕

（太原理工大學(xué) 新型傳感器與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030024）

引言

由于DFB激光器使用的增益介質(zhì)一般是砷化鎵、磷化銦、硫化鋅等半導(dǎo)體材料，所以其受溫度影響非常大，另外激光器的使用范圍很多時(shí)候在室外，比如在發(fā)電站中用于監(jiān)控各氣體的成分比率［1］，天然氣管道中的成分及泄露濃度檢測(cè)和鋼鐵熔煉過(guò)程控制，甚至用于太空探測(cè)等。這樣就造成激光器的工作環(huán)境，尤其是溫度等出現(xiàn)波動(dòng)甚至較大變化，而這種變化對(duì)激光器的工作狀態(tài)，包括波長(zhǎng)和閾值電流都有影響，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確甚至激光器的損壞。因此對(duì)激光器的工作溫度和功率控制就尤為重要。同時(shí)，我們?cè)谑褂眉す馄鲗?duì)不同對(duì)象比如液體和氣體進(jìn)行測(cè)量或測(cè)試時(shí)可能會(huì)用到不同的功率和波長(zhǎng)［2］，而且激光器受到微小電流和溫度變化的影響時(shí)，將導(dǎo)致輸出功率的波動(dòng)，為了保證激光器的正常工作，需要調(diào)節(jié)閾值功率。

本文從激光器溫度、功率要求和提高激光器的適用性角度出發(fā)，使用ADN8830、ADN2830等芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器的溫度和功率的控制和調(diào)節(jié)以實(shí)現(xiàn)在外界溫度變化大和有電流干擾時(shí)激光器溫度和功率的穩(wěn)定。

1 設(shè)計(jì)原理

本設(shè)計(jì)使用的單片機(jī)為STC公司的STC11F08XE，通過(guò)這個(gè)單片機(jī)對(duì)溫控芯片ADN8830和功率控制芯片ADN2830的控制實(shí)現(xiàn)溫度控制和功率控制。

2 驅(qū)動(dòng)電路

整個(gè)電路包括穩(wěn)壓模塊、溫度控制模塊、功率控制模塊、激光器模塊、顯示器模塊。其控制流程如圖1所示。

圖1 驅(qū)動(dòng)電路控制流程圖Fig.1 Control flow chart of driven circuit

系統(tǒng)的輸入單元是外部的3個(gè)按鍵，分別是LD ON，UP和DOWN，用來(lái)控制激光器的開(kāi)啟及激光器功率的增大和減小。3個(gè)按鍵鍵值輸入給單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)串行口給AD5172傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)，再通過(guò)AD5172分別給ADN8830和ADN2830以控制信號(hào)，分別控制激光器的溫度和功率。通過(guò)單片機(jī)控制顯示屏顯示相應(yīng)數(shù)值，反映功率的變化。其中，激光器為DFB激光器，蝶形封裝，具有14個(gè)引腳，工作波長(zhǎng)為1 550nm，當(dāng)電位器的電阻調(diào)節(jié)時(shí)，其波長(zhǎng)受溫度變化可以在1 535.17nm～1 563.24nm之間變動(dòng)。

3 各模塊的設(shè)計(jì)

3.1 溫度控制模塊

溫度控制模塊的主要組成部分是溫控芯片ADN8830，它是一款高集成度、高輸出效率、高性能的單芯片TEC控制器，其最大溫漂電壓低于250mV，能使目標(biāo)溫度誤差低于±0.01℃［3］。該模塊溫度設(shè)定部分電路如圖2所示。芯片通過(guò)其TEMPSET端口處的電壓值來(lái)設(shè)定半導(dǎo)體熱電致冷器（TEC）溫度。激光二極管LD的溫度［4］由一熱敏電阻來(lái)測(cè)量并反饋給ADN8830，再由該芯片內(nèi)部的溫度放大器將設(shè)定點(diǎn)溫度與溫度敏感器敏感到的LD實(shí)際溫度之間的誤差量進(jìn)行放大，產(chǎn)生誤差信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)PID網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)償后通過(guò)PWM控制器來(lái)驅(qū)動(dòng)由2個(gè)FDW2520C芯片內(nèi)部的MOS管構(gòu)成的H橋，控制TEC電流的方向和大小，從而穩(wěn)定激光器的溫度，控制激光器的波長(zhǎng)。

圖2 溫度控制模塊簡(jiǎn)化圖Fig.2 Simplified diagram of temperature control module

ADN8830芯片的端口4即TEMPSET的電壓亦即設(shè)定的目標(biāo)溫度所對(duì)應(yīng)的電壓。圖中標(biāo)注點(diǎn)D2連接的就是LD組件中自帶的熱敏電阻，它與R5、R6、R7組成電橋，電橋平衡時(shí)激光器達(dá)到設(shè)定溫度。而R7的阻值與LD中熱敏電阻不同溫度下的阻值有關(guān)，根據(jù)該芯片使用手冊(cè)中提供的公式可以得到R7的阻值：

式中RT1、RT2、RT3分別為激光器溫度為5℃、25℃、45℃時(shí)對(duì)應(yīng)的阻值。根據(jù)激光器數(shù)據(jù)手冊(cè)可知其對(duì)應(yīng)的阻值分別為25.4kΩ、10kΩ和4.37kΩ，于是可以得出R7為7.68kΩ。由于我們需要工作溫度可調(diào)，所以在上圖的端口HD1與HD2之間連接了一個(gè)電位器，通過(guò)調(diào)節(jié)它改變電橋平衡以改變激光器溫度，同時(shí)也就改變了波長(zhǎng)。在電位器的選擇上要根據(jù)激光器的工作溫度視具體情況而定，使用時(shí)要注意控制電流不超過(guò)范圍以免影響電路系統(tǒng)的正常工作。在本設(shè)計(jì)中，激光器的工作溫度主要集中在25℃～40℃間，表1為部分電位器電阻與激光器工作溫度的對(duì)應(yīng)表。

表1 電位器阻值與激光器溫度對(duì)應(yīng)表Table 1 Corresponding chart of potentiometer resistance and laser temperature

為了減少熱損耗，提高TEC控制器的熱效率，設(shè)計(jì)中采用了PWM方法進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使熱效率達(dá)到80%～90%［3］。ADN8830通過(guò)負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻檢測(cè)激光器溫度并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓值，與設(shè)定值進(jìn)行比較，產(chǎn)生一個(gè)誤差信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)由PWM控制器驅(qū)動(dòng)H橋，控制TEC電流來(lái)穩(wěn)定激光器溫度，H橋可以優(yōu)化輸出電壓波動(dòng)。

ADN8830通過(guò)一個(gè)電阻分壓器將熱敏電阻連接到一個(gè)誤差放大器上，進(jìn)行溫度監(jiān)控，該電壓與設(shè)定的目標(biāo)溫度所對(duì)應(yīng)的電壓相比較產(chǎn)生一個(gè)同上述兩電壓差成正比例的誤差電壓。這個(gè)電壓輸出被輸入到補(bǔ)償放大器，其外圍有PID網(wǎng)絡(luò)，能夠優(yōu)化TEC的響應(yīng)，該P(yáng)ID網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

總的來(lái)講，確權(quán)劃界的順利進(jìn)行，必須明確水庫(kù)工程管理范圍，嚴(yán)格依據(jù)國(guó)家相關(guān)法律開(kāi)展，依法辦理相關(guān)土地征用手續(xù)，或以合同形式確定水庫(kù)管理范圍內(nèi)土地的權(quán)屬并取得水利工程確權(quán)劃界證書(shū)。

圖3 PID網(wǎng)絡(luò)Fig.3 PID network

PID網(wǎng)絡(luò)的控制作用會(huì)提高TEC控制器的響應(yīng)速度和溫度穩(wěn)定性，使用該控制技術(shù)的目的是減少靜態(tài)誤差，提高控制精度［5］。其數(shù)學(xué)模型可以表示為

式中：U為PID調(diào)節(jié)器的輸出；Kp為比例系數(shù)；T1為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù)［6］。

TEC控制器工作原理是以帕爾帖效應(yīng)為基礎(chǔ)的［7］，當(dāng)電流流過(guò)TEC時(shí)，熱量由TEC的一側(cè)傳送到另一側(cè)，表現(xiàn)為其一端致冷，另一端加熱。如果電流的方向反向，則致冷與加熱的兩端也會(huì)反轉(zhuǎn)。用TEC穩(wěn)定溫度的流程是通過(guò)調(diào)節(jié)電阻值達(dá)到電橋平衡來(lái)設(shè)定想要的溫度，該溫度對(duì)應(yīng)的電壓UT輸入ADN8830，通過(guò)芯片內(nèi)部的比較電路與TEC反饋的溫度對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)進(jìn)行比較，得到誤差信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)放大后再經(jīng)過(guò)PID網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)償和PWM控制后輸送至TEC，調(diào)節(jié)激光器的溫度以達(dá)到目標(biāo)溫度［8－10］，其流程圖如圖4所示。

圖4 TEC控制流程圖Fig.4 Flow chart of TEC control program

3.2 功率控制模塊

功率控制模塊主要使用ADN2830進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，ADN2830通過(guò)改變流入激光器的電流改變激光器的功率。控制電流可以通過(guò)控制該芯片PSET端口連接的電阻RPSET的值改變，因?yàn)镻SET端口的電壓維持在1.23V，則根據(jù)芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)可知：

式中IAV為當(dāng)前MPD的平均值。芯片通過(guò)IBIAS引腳與激光器相連監(jiān)控激光器的偏置電流，跟設(shè)定值進(jìn)行比較進(jìn)而調(diào)控激光器功率。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)功率的可調(diào)就需要改變RPSET，因?yàn)樾枰^準(zhǔn)確的數(shù)量控制，就需要引入比普通電位器精確，并且可由單片機(jī)直接設(shè)置電阻數(shù)值的電位器，在這里我們使用的是ADI公司的AD5172芯片，即一次性可編程數(shù)字電位器。該芯片可以精確控制阻值的變化，通過(guò)UP、DOWN兩按鍵調(diào)節(jié)，而且能通過(guò)顯示屏顯示當(dāng)前功率值。電位器與ADN2830的連接方式如圖5所示。其SDA、SCL端口與單片機(jī)的P3.4、P3.5相連，提供控制信號(hào)，W1、W2引腳分別與 ADN2830和ADN8830的相應(yīng)端口連接，輸出控制信號(hào)。

圖5 電位器的連接方式Fig.5 Connection of potentiometer

芯片AD5172的B1與W1和B2與W2間的阻值計(jì)算公式為

式中：D為8位二進(jìn)制數(shù)代表的電阻值所對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)值；RAB為數(shù)字電位器內(nèi)部電子陣列總的電阻值；RW為滑臂電阻。我們使用的數(shù)字電位器的RAB為10kΩ，則與編碼對(duì)應(yīng)的RWB阻值關(guān)系如表2所示。

表2 代碼阻值對(duì)應(yīng)表Table 2 Codes and corresponding RWBresistance

由此我們就可以通過(guò)編程控制RPSET根據(jù)我們的需要進(jìn)行改變，PSET的電壓隨該系統(tǒng)的UP、DOWN兩按鍵的鍵入而變化。

3.3 顯示模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的顯示模塊使用了LCD1602顯示屏作為數(shù)據(jù)顯示器，可以顯示當(dāng)前功率和波長(zhǎng)。同時(shí)還設(shè)置了3個(gè)按鍵分別為激光器的開(kāi)關(guān)按鍵LD ON、功率增大按鍵UP和減小按鍵DOWN，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入。

功率的可調(diào)和顯示范圍為0dBm～10dBm，波長(zhǎng)可觀測(cè)值在1 535.17nm～1 563.24nm之間。

4 程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)在接收到鍵值的信號(hào)之前處于復(fù)位狀態(tài)，即功率為0dBm，波長(zhǎng)為1 550nm。當(dāng)LD ON按鍵按下時(shí)激光器開(kāi)始工作，單片機(jī)產(chǎn)生控制信號(hào)對(duì)ADN8830和ADN2830進(jìn)行控制，當(dāng)檢測(cè)到UP鍵輸入時(shí)，AD5172芯片的輸入數(shù)據(jù)變化，使該芯片的輸出端口PSET上的電壓值減小，IBIAS端口電壓值也減小，增大了激光器的功率。當(dāng)DOWN鍵按下時(shí)則正好相反，實(shí)現(xiàn)了手動(dòng)的功率控制，程序流程圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)程序流程圖ig.6 Flow chart of system program

5 設(shè)計(jì)測(cè)試

本設(shè)計(jì)的電路板如圖7所示，圖中包含了穩(wěn)壓模塊、顯示模塊、溫控模塊、功率控制模塊和激光器等。

圖7 電路板實(shí)物圖Fig.7 Circuit board physical map

經(jīng)測(cè)試，LD ON按鍵按下時(shí)激光器開(kāi)始工作，UP鍵和DOWN鍵可單擊可連發(fā)。UP鍵鍵入時(shí)顯示器顯示功率值增大，此時(shí)測(cè)量AD5172芯片的W1引腳處的電壓值減小，ADN2830的IBIAS引腳上的電壓值同時(shí)也減小。當(dāng)DOWN鍵鍵入時(shí)上述各引腳電壓值變化過(guò)程相反。激光發(fā)生器在單片機(jī)設(shè)定的功率變化范圍內(nèi)功率與AD5172芯片PSET引腳的電壓變化對(duì)應(yīng)情況如圖8所示，當(dāng)電壓在1.02V～0.46V的范圍內(nèi)變化時(shí)對(duì)應(yīng)的功率變化為0dBm～10dBm，并且當(dāng)電壓值穩(wěn)定時(shí)，激光器功率能夠亦能穩(wěn)定在設(shè)定值。

圖8 PSET引腳電壓變化示意圖Fig.8 Schematic diagram of PSET pin voltage change

手動(dòng)設(shè)置激光器功率后使用功率計(jì)對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，為方便觀察，現(xiàn)將所有以dBm為單位的功率數(shù)據(jù)換算為mW，其部分對(duì)比數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 功率設(shè)定值與測(cè)量值對(duì)照表Table 3 Power set value and measured values

通過(guò)功率計(jì)的測(cè)量可知，設(shè)定值與測(cè)量值之間的誤差在0.05mW內(nèi)，在溫度控制上，當(dāng)電位器的阻值固定時(shí)，激光器的波長(zhǎng)輸出穩(wěn)定。改變電位器阻值時(shí)激光器波長(zhǎng)隨之變化，響應(yīng)速度在2s內(nèi)，并在隨后保持穩(wěn)定。

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