葛賢濤，瑚　琦，高鵬飛，談夢科

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

基于ARM半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動設(shè)計(jì)及測試

葛賢濤，瑚琦，高鵬飛，談夢科

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

摘要在半導(dǎo)體激光器的使用過程中，驅(qū)動電路直接影響著激光器的穩(wěn)定性。對此文中提出了一種高效、穩(wěn)定，寬功率輸出范圍的設(shè)計(jì)方案，采用采樣電阻和恒流電路實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的閉環(huán)控制，得到恒定的驅(qū)動電流;利用熱敏電阻溫度特性，溫度控制電路結(jié)合單片機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)溫度的閉環(huán)控制，從而實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的溫度控制要求；結(jié)合恒溫，恒流控制以及單片機(jī)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)功率閉環(huán)控制方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同溫度下，功率計(jì)測得功率與驅(qū)動電流成良好的線性關(guān)系，且功率范圍寬、電路可靠工作時間長、激光器單色性穩(wěn)定、系統(tǒng)穩(wěn)定性好。

關(guān)鍵詞激光器；恒流；恒溫；驅(qū)動電路

目前，半導(dǎo)體激光器(LD)被廣泛應(yīng)用于生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)保等領(lǐng)域，半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動及功率測量受到研究者關(guān)注[1-3]。實(shí)際中，半導(dǎo)體激光器是一種高功率密度器件，其受注入電流(驅(qū)動電流)的起伏影響，從而出現(xiàn)功率的變化。除此之外，半導(dǎo)體激光器輸出功率還與工作溫度有關(guān)，激光器的輸出功率會隨著溫度的升高而下降[4]。

本文將設(shè)計(jì)一種可控溫、可控注入電流的驅(qū)動電路，并就半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動設(shè)計(jì)和寬范圍功率輸出問題做出詳細(xì)說明，測試了驅(qū)動設(shè)計(jì)電路，恒溫或恒流，對輸出功率及波長穩(wěn)定性的影響。

1總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用ARM嵌入式處理器，恒流源驅(qū)動電路設(shè)計(jì)，溫度控制電路設(shè)計(jì)，信號處理電路設(shè)計(jì)4個主要部分。如圖1系統(tǒng)總體框架所示，ARM利用自帶的A/D來采集激光器的輸出的模擬信號，同時也利用D/A來控制溫度和恒流的穩(wěn)定輸出，從而不僅達(dá)到對激光器的恒溫或恒流的控制，且還可檢測當(dāng)前激光器的實(shí)際溫度和注入電流。系統(tǒng)總體上形成一個閉環(huán)反饋控制路。

圖1　系統(tǒng)總體框架

1.1ARM處理選擇

因?yàn)榧す馄鞯姆€(wěn)定輸出對于溫度和注入電流有著較高的要求，故需要相對較高的數(shù)據(jù)處理速度和穩(wěn)定性。所以，本設(shè)計(jì)采用ARM公司的新款單片機(jī)STM32F429xxx系列。STM32F429單片機(jī)內(nèi)置Cortex-M4的CPU和FPU且最高主頻可達(dá)到180 MHz的時鐘頻率，這款單片機(jī)內(nèi)部帶有3個12位2.4 MSample·s-1的ADC，最高達(dá)到24個通道。同時具2個12位的高速DAC，支持內(nèi)部高速數(shù)據(jù)傳輸DMA(直接存儲器)以及多個定時器[5]。上述優(yōu)點(diǎn)最終考慮使用這款單片機(jī)。

1.2恒流控制設(shè)計(jì)

恒流源的設(shè)計(jì)利用高精度的采樣電阻可精確的控制輸出電流的大小，整個電路采用閉環(huán)的控制方法。設(shè)計(jì)方案采用降壓型大功率LED驅(qū)動芯片，設(shè)計(jì)電路如圖2恒流控制所示。LD-和LD+分別表示激光器驅(qū)動電流的正負(fù)端。

圖2　恒流控制

如圖2所示，由單片機(jī)輸出DAC信號VDAC，LX輸出最終的恒流I，恒流控制芯片F(xiàn)P17xx的輸入引腳查看引腳in可知，其參考電壓恒定為0.25 V即Vin=0.25 V

(VDAC-Vin)/R1=(Vin-VLD-)/R2

(1)

VLD-=I×R3

(2)

由式(1)、式(2)可推出恒流輸出電流大小為I

(3)

由式(3)可知，在電阻都知道的情況下，輸出電流I大小與VDAC線性關(guān)系。因此，確定R1，R2和R3后即可得到電流的穩(wěn)定值，從而實(shí)現(xiàn)恒流控制。

1.3恒溫控制設(shè)計(jì)

環(huán)境溫度變化對于激光器的輸出會有影響，一般情況下，隨著溫度的升高將出現(xiàn)波長漂移即發(fā)光波長隨溫度變化，光譜寬度隨之增加，影響顏色鮮艷度。另外，溫度每升高1 ℃，半導(dǎo)體激光器的發(fā)光強(qiáng)度會相應(yīng)地減少約1%[6-7]。

測量溫度采用激光器內(nèi)部熱敏電阻與溫度的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換，熱敏電阻的溫度與阻值的關(guān)系如式(4)

(4)

其中，Rt為熱敏電阻在T1溫度下的阻值；R為熱敏電阻T2溫度下的標(biāo)稱阻值；B為常數(shù)。

根據(jù)式(4)可將溫度表征成電阻。然而單片機(jī)是要采集電壓信號的，所以需要將電阻轉(zhuǎn)化為電壓。設(shè)計(jì)中采用與熱敏電阻串聯(lián)一個標(biāo)準(zhǔn)電阻R0，且將串聯(lián)電壓固定為Vref

VR1=Rt×Vref/(Rt+R0)

(5)

VDAC=VRt×4 295/Vf

(6)

其中，Vf為ADC的參考電壓。式(6)是ADC轉(zhuǎn)換公式。

由上述式(4)～式(6)可以將溫度直接轉(zhuǎn)換成電壓值。但是對于溫度控制需要時刻對溫度進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)恒溫的要求。

本設(shè)計(jì)對于恒溫控制采用了閉環(huán)反饋控制，設(shè)計(jì)中采用TEC(半導(dǎo)體制冷器)控制激光器溫度如圖3所示。單片機(jī)輸出DAC信號給TEC模塊的FB-端口，F(xiàn)B+端口上采集激光器內(nèi)部的熱敏電阻電壓信號,TEC模塊采用FB+與FB-比較的方法來控制TEC電流，而BFB+與BFB-則是用來輔助FB-與FB+，單片機(jī)采集BFB+、 BFB-的溫度信號實(shí)現(xiàn)監(jiān)測當(dāng)前溫度的作用，進(jìn)而比較單片機(jī)監(jiān)測溫度與實(shí)際溫度大小，當(dāng)激光器溫度過高或過低時，熱敏會反饋相應(yīng)的信號輸出給TEC模塊，TEC模塊再反饋給單片機(jī)，接著單片機(jī)控制FB-再一次與FB+比較來控制TEC電流，從而間接的控制輸出TEC電流大小，實(shí)現(xiàn)循壞的溫度控制。這樣就可以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋溫度控制。

圖3　溫度控制

1.4信號處理電路

在驅(qū)動電路完成對激光器驅(qū)動后，激光器正常工作，此時信號處理電路即可完成對當(dāng)前實(shí)際輸出的驅(qū)動電流、實(shí)際的激光器驅(qū)動電壓等參數(shù)的監(jiān)測，實(shí)時采集數(shù)據(jù)，在單片機(jī)的控制下，不斷修整溫度和驅(qū)動電流。從而在整體上實(shí)現(xiàn)對溫度、驅(qū)動電流的閉環(huán)控制。

2軟件控制設(shè)計(jì)

在完成硬件設(shè)計(jì)后，需要對軟件程序進(jìn)行編寫。軟件設(shè)計(jì)的流程圖這里主要介紹圖4恒定溫度下變化注入電流和圖5恒定注入電流變化溫度。

當(dāng)圖4程序開始時，首先進(jìn)行初始化A/D、D/A、時鐘和定時器TIM。完成初始化后就要通過DAC和恒定溫度控制模塊設(shè)置當(dāng)前工作溫度值，同時也設(shè)置最大、最小注入電流和每次變化電流間隔的大小。當(dāng)開啟時鐘，A/D、D/A和定時器的使能打開后，系統(tǒng)會根據(jù)流程圖每30 s自行增加一個電流間隔值，從而恒定溫度下，實(shí)現(xiàn)了注入電流變化的功能。

圖4　恒定溫度下變化注入電流

圖5　恒定注入電流變化溫度

同理，圖5程序開始時一樣是初始化，完成初始化后通過DAC和恒流控制模塊設(shè)定恒定注入電流，然后設(shè)置溫度變化范圍和溫度變化間隔，設(shè)定每30 s變化一次溫度。從而恒定注入電流下，實(shí)現(xiàn)溫度變化的功能。

3測試結(jié)果與分析

為測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的效果，采用波長為785 nm的蝶形半導(dǎo)體激光器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3.1驅(qū)動設(shè)計(jì)測試

按照圖6 完成激光器實(shí)物連接后，通過設(shè)置好當(dāng)前溫度或者注入電流后，可看到圖7激光輸出波形圖。因此，由圖6和圖7可看出本設(shè)計(jì)激光驅(qū)動電路可實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動。

圖6　實(shí)物測試圖

圖7　實(shí)際測量

3.2測試激光器不同狀態(tài)下輸出

圖8是利用PM100D功率計(jì)測量激光器實(shí)際輸出功率，在不同溫度下，隨驅(qū)動電流變化的示意圖。驅(qū)動電流的控制范圍為200 ～1 260 mA，實(shí)際輸出激光器功率可達(dá)600 mW，可實(shí)現(xiàn)0～600 mW的輸出。

程序設(shè)定30 s變化一次驅(qū)動電流，而驅(qū)動電流的變化間隔是10 mA。所以由圖8可知，完成一次測量是53 min，而3次測量則是159 min，因此，連續(xù)工作近3 h依然測量結(jié)果穩(wěn)定，驅(qū)動電路設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠。

設(shè)定激光器當(dāng)前的溫度分別為20 ℃、30 ℃、40 ℃時，驅(qū)動電流在200～1 260 mA的實(shí)際測量功率值，如圖8所示。

圖8　實(shí)際測量功率值圖

圖9　輸出波長

由圖8可知，在驅(qū)動電流大于閾值電流后，實(shí)際輸出功率與驅(qū)動電流是線性關(guān)系，與式(3)所示的理論相符；另一方面隨著溫度增加，閾值電流增大，驗(yàn)證了溫度對激光器的影響；曲線出現(xiàn)整體右移，但曲線仍然是線性關(guān)系，表明溫度控制穩(wěn)定。

圖9是利用光譜儀測量了激光器在不同輸出功率與溫度下得到的激光輸出波長圖。實(shí)際正常工作時，測量在相同功率、不同溫度下，激光器的實(shí)際輸出波長穩(wěn)定最大波動范圍在0.12 nm內(nèi)，即在恒流控制下波動范圍在0.12 nm之內(nèi)；在相同溫度、不同功率下，波長波動范圍在0.04 nm之內(nèi)。在恒溫控制下波動的范圍在0.04 nm之內(nèi)。由此可看出恒流、恒溫控制良好。

4結(jié)束語

文中設(shè)計(jì)的激光器驅(qū)動性能較好，能完成自動電流控制(ACC)，自動溫度控制(ATC)以及兩者混合控制和功率測量等功能。同時，激光輸出的波長波動范圍較??；系統(tǒng)在連續(xù)工作較長時間后，驅(qū)動效果依然良好，對于驅(qū)動大部分的蝶形激光器亦沒有問題。

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Semiconductor Laser Driver Design and Test Based on ARM

GE Xiantao，HU Qi，GAO Pengfei，TAN Mengke

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Techonlogy,Shanghai 20093, China)

AbstractIn the applications of the semiconductor laser , the driving circuit directly affects the stability of the laser . A design solution with high efficiency , stability , wide range of power was put forward . In order to realize the stable closed-loop control ,Sampling resistor and constant current circuit will be made use of , Then it gets a constant driving current . Using the themistor temperature properties and the control circuit of temperature with MCU control system , It obtains the temperature control of closed-loop, which meets requirenment of stable temperature control.With the constant temperature , constant current and MCU system,a design solution of closed-loop control will be realized. Experimental results show that the power measured by power meter has a good linear relationship with driving current and the range of power is wide. The circuit has a reliable long working time ; The laser has reliable monochromaticity ;System is reliable.

Keywordslaser；constant current；constant temperature；driving circuit

收稿日期:2015-10-03

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61178079)；霍英東教育基金會青年教師基金資助項(xiàng)目(121010)

作者簡介:葛賢濤(1991-)，男，碩士研究生。研究方向：光電檢測，嵌入式應(yīng)用等。

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.06.028

中圖分類號TN248

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號1007-7820(2016)06-096-04