張雪蓮，黃榜才，張 鵬，李 巖，王曉龍，張培培，龍潤(rùn)澤，韓桂云，王 寬，梁小紅

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第四十六研究所，天津300220)

可調(diào)頻信號(hào)控制的光纖激光器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

張雪蓮，黃榜才，張 鵬，李 巖，王曉龍，張培培，龍潤(rùn)澤，韓桂云，王 寬，梁小紅

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第四十六研究所，天津300220)

為實(shí)現(xiàn)大功率光纖激光器的智能化控制，提出一種由外圍信號(hào)控制激光器輸出功率大小的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。系統(tǒng)以STM 32F407ZG為主控芯片，通過(guò)調(diào)節(jié)外圍信號(hào)的頻率與幅度來(lái)控制激光驅(qū)動(dòng)電流的大小，從而達(dá)到對(duì)激光輸出功率的控制。整個(gè)系統(tǒng)能對(duì)激光器泵源溫度及電流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并保護(hù)，電流輸出精度可達(dá)到±0.01A，保證了激光器穩(wěn)定、可靠地工作。

大功率；STM 32F407ZG；頻率與幅度；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

0　引言

隨著光纖制造工藝與半導(dǎo)體激光器生產(chǎn)技術(shù)的日趨成熟，光纖激光器已經(jīng)應(yīng)用于諸多領(lǐng)域[1]。光纖激光器由泵浦源、增益介質(zhì)和諧振腔三個(gè)基本要素組成。泵浦光經(jīng)適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)系統(tǒng)耦合進(jìn)入增益光纖，增益光纖在吸收泵浦光后形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)或非線性增益并產(chǎn)生自發(fā)發(fā)射，所產(chǎn)生的自發(fā)發(fā)射光經(jīng)受激放大和諧振腔的選模作用后，最終形成穩(wěn)定激光輸出[2]。由于光纖激光器由驅(qū)動(dòng)電流直接調(diào)制輸出參數(shù) （頻率、脈寬、脈沖波形及功率大?。?，實(shí)現(xiàn)不同強(qiáng)度光輸出，使得對(duì)電流、溫度有著極高的要求[3]，因此設(shè)計(jì)一套能精確控制激光器工作電流輸入，并能對(duì)電流和溫度變化實(shí)時(shí)檢測(cè)的高效、智能化系統(tǒng)十分重要。本文通過(guò)調(diào)節(jié)外圍信號(hào)頻率和幅度來(lái)控制激光驅(qū)動(dòng)電流的大小，從而達(dá)到對(duì)激光功率輸出模式的控制。

1　外圍信號(hào)

外圍控制信號(hào)的模式有連續(xù)輸入和脈沖輸入兩種，使能信號(hào)均為0～24V直流DC。在連續(xù)模式下，調(diào)制信號(hào)幅值為24V直流信號(hào)；在脈沖模式下，控制信號(hào)頻率為0～5kHz，幅度為0～24V，占空比Duty為0～100%。外圍信號(hào)類型、模式與激光器功率控制關(guān)系如表1所示，當(dāng)0～10V模擬電壓輸入時(shí)，激光輸出功率為0～100%，電流為0～20A。

表1　外圍信號(hào)與激光器功率控制關(guān)系

2　總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要分為三個(gè)部分：光纖激光器工作電流驅(qū)動(dòng)、采集及過(guò)流保護(hù)模塊；光纖激光器溫度采集及保護(hù)模塊；主控模塊與上位機(jī)通信模塊?？傮w方案設(shè)計(jì)流程如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)主控芯片STM32F407ZG及其外圍控制電路結(jié)合外圍信號(hào)的產(chǎn)生與中斷，實(shí)現(xiàn)激光器平均功率、峰值功率、脈沖頻次和脈沖寬度等參數(shù)的調(diào)節(jié)。主控模塊主要負(fù)責(zé)控制光纖激光器電流傳輸及通過(guò)傳感器采集溫度信號(hào)，并將采集到的電流及溫度對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)經(jīng)STM32F407ZG內(nèi)部PID算法處理后，通過(guò)串口MAX3232與上位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度及電流信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及保護(hù)。本設(shè)計(jì)的主控芯片是意法半導(dǎo)體ST公司以ARM CortexTM-M4為內(nèi)核專門(mén)開(kāi)發(fā)的最新嵌入式處理器，支持所有ARM單精度數(shù)據(jù)處理指令和數(shù)據(jù)類型的單精度浮點(diǎn)單元（FPU），主頻高達(dá)168MHz，可提供3個(gè)12位ADC、2個(gè)DAC、1個(gè)低功耗RTC、15個(gè)通訊接口，廣泛應(yīng)用于控制及信號(hào)處理功能混合的數(shù)字信號(hào)控制系統(tǒng)[4]，滿足本設(shè)計(jì)要求。

圖1　總體方案設(shè)計(jì)流程圖

3　電路基本工作原理

3.1電流控制模塊設(shè)計(jì)

電流驅(qū)動(dòng)控制模塊[5]設(shè)計(jì)如圖2所示，外部輸入0～10V模擬電壓經(jīng)隔離濾波和分壓后，送入主控模塊STM32F407ZG自帶的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC計(jì)算出對(duì)應(yīng)值PD0～11，再經(jīng)12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器TLV5619處理后輸出恒流源所需模擬電壓信號(hào)0～2Voutput，即，此處由基準(zhǔn)源TL431提供參考電壓REF，因此0～2V輸出由外部輸入的PD0～11大小code決定。為更好地提高光纖激光器工作性能，由外圍信號(hào)及主控模塊聯(lián)合控制多路模擬開(kāi)關(guān)LV4051的導(dǎo)通而輸出模擬電壓信號(hào)0～2Voutput，同時(shí)為抑制噪聲對(duì)模擬和DA變換電路的干擾，提高DA轉(zhuǎn)換精度，外部使能EN和調(diào)制信號(hào)MC的輸入采用高速光耦6N137隔離輸出EN_C和MC_B，避免了信號(hào)的延遲或變形。

圖2　電流控制模塊電路圖

3.2恒流源及過(guò)流保護(hù)模塊設(shè)計(jì)

本文在基本恒流源[6]的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了高精度、穩(wěn)定的自適應(yīng)恒流源，如圖3所示，通過(guò)控制功率MOSFET管Q1、Q2的導(dǎo)通為高功率光纖激光器提供工作所需大電流I，并采用小阻值康銅電阻RS1來(lái)降低大電流產(chǎn)生熱量。圖3中DA-U是控制模塊提供的0～2V輸入，調(diào)節(jié)VR1可得到0～20A任意工作電流值I，此時(shí)。同時(shí)將電流反饋回Q1、Q2基極，比較器LM2902N(U1B)根據(jù)反饋電流大小自適應(yīng)調(diào)節(jié)輸出，提供穩(wěn)定基極電壓，保證了最終輸出電流的穩(wěn)定。

圖3右邊部分為過(guò)流保護(hù)模塊，調(diào)節(jié)VR6使電流I的最大報(bào)警限值為VR70，以設(shè)定最大工作電流對(duì)應(yīng)電壓為VA1；若VRS1超過(guò)VR70，則VA1即超過(guò)2.5V，比較器LM2902N輸出高電平S1使場(chǎng)效應(yīng)管2N7000導(dǎo)通，從而拉低基極電壓中斷光纖激光器工作電流輸出；同時(shí)，主控模塊采樣電壓VA1，并根據(jù)其值判斷過(guò)流與否；過(guò)流，則下發(fā)信號(hào)SW，中斷工作電流，提高了系統(tǒng)工作安全性能。

圖3　恒流源及過(guò)流保護(hù)模塊電路圖

3.3溫度控制模塊設(shè)計(jì)

圖4　溫度控制模塊電路圖

4　主控模塊軟件設(shè)計(jì)

電路主控模塊軟件設(shè)計(jì)如圖5所示，上電，初始化完成嵌入式系統(tǒng)包括串口、I/O口、內(nèi)部ADC、時(shí)鐘及中斷等配置[8]，接入外圍信號(hào)，選擇調(diào)制信號(hào)MC的頻率、幅度及占空比，開(kāi)使能信號(hào)EN(0～24V)及0～10V功率控制信號(hào)DA_IN，主控模塊與上位機(jī)通信判斷激光器光源工作模式。若為內(nèi)部模式，則進(jìn)行相應(yīng)配置，此處暫不介紹；若為外控模式（即外部可調(diào)頻信號(hào)控制）且激光器當(dāng)前工作狀態(tài)正常，主控模塊對(duì)外控功率分析處理后輸出0～2V電壓，控制恒流源模塊產(chǎn)生0～20A電流。同時(shí)，采集激光器當(dāng)前工作電流及溫度送上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)，并根據(jù)采集數(shù)據(jù)完成相應(yīng)的控制：若工作電流過(guò)大，則產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，主控模塊STM32F407ZG收到報(bào)警信號(hào)則關(guān)LV4051，并下發(fā)控制信號(hào)SW使恒流驅(qū)動(dòng)模塊停止輸出工作電流；若工作過(guò)程中激光器溫度過(guò)高，則產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)T1_CMP= 0，同理讓主控模塊關(guān)LV4051，并下發(fā)SW，阻止了激光器的損壞，提高系統(tǒng)工作性能。

圖5　STM32F407程序流程圖

5　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

外圍信號(hào)控制激光器工作于脈沖模式時(shí)，設(shè)定調(diào)制信號(hào)MC的頻率為5kHz，幅度為0～5V，50%占空比duty；輸入功率100%，即DA_IN=10V；使能為24V，主控模塊接收外圍信號(hào)處理后啟動(dòng)激光器工作，此時(shí)輸出的0～2V功率控制信號(hào)Voutput波形如圖 6所示。Voutput=2V×duty×(10DA_IN)%，因此調(diào)節(jié) MC信號(hào)及DA_IN可以控制輸出不同功率，按設(shè)定有2V×50%× 100%=1V，即圖6中平均值。同理，外圍信號(hào)控制激光器工作于連續(xù)模式時(shí)，調(diào)制信號(hào)MC為24直流DC，則Voutput=2V×(10DA_IN)%。

連續(xù)模式，激光器100%功率工作時(shí)電流為9.6A，最高溫度為26.6℃。圖7為上位機(jī)連續(xù)采樣到的100個(gè)電流（步進(jìn)5min）及溫度值曲線圖，從圖中可以看出，激光器工作時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度穩(wěn)定；輸出電流波動(dòng)小，精度為±0.01A。

圖6　功率控制信號(hào)Voutput波形圖

圖7　電流及溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)曲線圖

6　結(jié)束語(yǔ)

我們通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)證明，本文中的設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)換效率高、性能穩(wěn)定，能精確控制光纖激光器輸出功率，并能對(duì)電流、溫度變化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和保護(hù)。電流輸出精度可達(dá)到±0.01A，負(fù)載激光器工作溫度穩(wěn)定符合要求，本設(shè)計(jì)已成功應(yīng)用與大功率光纖激光器驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)。

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Design of fiber laser driver circuit controlled by adjustable signal

ZHANG Xue-lian,HUANG Bang-cai,ZHANG Peng,LI Yan,WANG Xiao-long, ZHANG Pei-pei,LONG Run-ze,HAN Gui-yun,WANG Kuan,LIANG Xiao-hong
(The 46th Research Institude of CETC,Tianjin 300220,China)

In order to achieve the intelligent control of high power fiber laser,this paper presents the design of fiber laser driver circuit.The system takes STM32F407ZG as the main control chip.the laser driven current controls by adjusting the frequency and amplitude of the peripheral signal,so as to control the laser output power.It can acquisition and protect temperature and current of the laser pump in real time.The output precision of the current can reach±0.01A,which ensures the stability and reliability of the laser.

highpower,STM32F407ZG,frequency-amplitude,acquisition

TN86

A

1002-5561（2016）05-0059-04

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.05.018

2015-12-28。

天津市科技支撐計(jì)劃國(guó)際科技合作項(xiàng)目（14RCGFGX00852）資助。

張雪蓮（1989-），女，助理工程師，主要從事光纖激光器驅(qū)動(dòng)電路的研究。