亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        面向混沌激光器的高精度溫控與驅(qū)動電路設計

        2018-09-26 09:23:00楊帥軍張建忠喬麗君于小雨徐紅春余向紅張明江
        深圳大學學報(理工版) 2018年5期
        關鍵詞:溫度控制激光器高精度

        楊帥軍,張建忠,劉 毅,趙 彤,喬麗君,于小雨,,徐紅春,余向紅,張明江

        1)太原理工大學新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點實驗室,山西太原030024;2)太原理工大學物理與光電工程學院,光電工程研究所,山西太原030024;3)武漢光迅科技股份有限公司, 湖北武漢430070

        近幾年,混沌信號在通信、傳感及信息安全等領域顯現(xiàn)出重要的應用價值[1-4].目前混沌信號的產(chǎn)生主要有2種方式:① 分立器件產(chǎn)生混沌信號;② 集成混沌激光器產(chǎn)生混沌信號.但分立器件產(chǎn)生混沌信號,其結(jié)構(gòu)復雜,且易受環(huán)境影響,輸出不穩(wěn)定,不利于混沌信號的應用[5-6].集成混沌激光器作為一種新型的光電子器件,具有體積小、易與其他系統(tǒng)集成和可以輸出穩(wěn)定可靠的寬帶混沌信號等優(yōu)點,成為現(xiàn)在的研究熱點[7].混沌激光器使用砷化鎵及磷化銦等材料作為增益介質(zhì),其特性對溫度很敏感[8],而溫度的變化對激光器的波長和閾值電流均有影響[9],最終將導致激光器輸出混沌狀態(tài)不穩(wěn)定.并且偏置電流對激光器進入混沌的路徑以及輸出的混沌信號狀態(tài)都有重要的影響[10],因此對混沌激光器進行高精度溫度控制和直流驅(qū)動控制十分重要.

        現(xiàn)有激光器的溫控源與驅(qū)動源體積較大且價格昂貴,不利于系統(tǒng)的控制和集成[11],且控制精度較低,如ILX Lightwave公司的LDT-5412溫度控制精度為0.1 ℃,LDX-3412的電流調(diào)節(jié)精度為0.1 mA,無法滿足混沌激光器穩(wěn)定運行的要求[12].本研究采用Analog Device(ADI)公司的高控溫精度芯片ADN8830作為溫控電路的主控芯片,并設計溫度補償網(wǎng)絡和功率放大電路,從而構(gòu)成完整的閉環(huán)溫度控制結(jié)構(gòu).直流驅(qū)動模塊采用ADN2830作為主控芯片,并結(jié)合高精度、雙通道的數(shù)字電位計AD5172實現(xiàn)精確控制激光器注入電流的目的.上位機通過調(diào)用LabVIEW中的VISA節(jié)點函數(shù),構(gòu)建基于串口通信的硬件平臺,實現(xiàn)對電路系統(tǒng)的控制.實驗證明,本研究所設計面向混沌激光器的高精度溫控與直流驅(qū)動電路系統(tǒng)可以在較長時間內(nèi)穩(wěn)定運行.

        1 系統(tǒng)設計

        針對混沌激光器對工作溫度和注入電流的高精度要求,設計了一套面向混沌激光器的高精度溫控與直流驅(qū)動電路系統(tǒng).該系統(tǒng)主要包括溫度控制模塊、直流驅(qū)動模塊及上位機控制模塊.系統(tǒng)以單片機STM32作為主控制芯片.溫控模塊采用ADN8830芯片并設計溫度補償網(wǎng)絡構(gòu)成閉環(huán)溫度控制結(jié)構(gòu),最終實現(xiàn)高精度的溫度控制目標.直流驅(qū)動模塊采用ADN2830芯片并結(jié)合數(shù)字電位計實現(xiàn)高精度驅(qū)動控制.系統(tǒng)的整體框圖如圖1.

        圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 System block diagram

        2 溫度控制模塊

        2.1 溫度采集電路

        ADN8830芯片是一款具有高輸出效率的開關模式的單芯片半導體熱電制冷器(thermoelectric cooler, TEC)控制器.TEC是一種基于Peltire效應的器件[13],當對TEC加載直流電流時,熱量由TEC的一側(cè)傳送給另一側(cè),此時制冷器的一端溫度降低,而另一端的溫度升高.溫度降低的一端稱為冷端,溫度升高的一端稱為熱端.當加載在TEC兩端的電流方向相反時,制冷端與制熱端反轉(zhuǎn).溫度控制電路通過對激光器內(nèi)部的熱敏電阻進行監(jiān)測,自動調(diào)節(jié)TEC驅(qū)動電流的大小和方向,實現(xiàn)對激光器的溫度控制.

        ADN8830內(nèi)部集成了參考電壓發(fā)生器、溫度信號測量誤差放大器、PID補償放大器、震蕩器、脈寬調(diào)制控制器及場效應管驅(qū)動器6個模塊.

        溫度設定功能可分為溫度固定型和溫度可調(diào)型,本系統(tǒng)為溫度可調(diào)型.該方法對目標溫度的設定和調(diào)節(jié)均由外圍電路完成.電路通過一個H橋電阻網(wǎng)絡將熱敏電阻(Rth)連接到誤差放大器上,實現(xiàn)對激光器溫度的監(jiān)測,如圖2. ADN8830的THERMIN端(2腳)為測溫輸入端,在參考電壓VREF端(7腳)和THERMIN端之間接入電阻R4, THERMIN端和地之間接入熱敏電阻Rth, 利用分壓網(wǎng)絡將VREF端的參考電壓引入到THERMIN端. TEMPSET端(4腳)為目標溫度設置腳.為實現(xiàn)溫度可調(diào)節(jié),在TEMPSET端接入一個比普通電位器精確,且可由單片機STM32直接設置阻值的高精度數(shù)字電位計AD5172,并配以串、并聯(lián)電阻調(diào)節(jié)激光器目標溫度,滿足高精度溫度控制目標.激光器目標溫度值對應的等效電阻R為

        (1)

        其中,電阻R0決定激光器的目標溫度范圍;電阻R2決定溫度調(diào)節(jié)的精度;R3為數(shù)字電位計輸出電阻值.R與R4、R1、Rth組成H橋網(wǎng)絡,電橋平衡時激光器達到目標溫度值.

        圖2 溫度采集模塊簡化圖Fig.2 Simplified diagram of temperature acquisition module

        圖2中R4的阻值為

        (2)

        其中,RT1和RT3分別代表熱敏電阻在上下兩個極限溫度時的阻值;RT2為熱敏電阻在平均溫度時的阻值,其對應值分別為25.40 kΩ、4.37 kΩ和10.00 kΩ.以上電阻均采用0.3%的高精度、高熱穩(wěn)定性的精密電阻.通過計算得出R4的值為7.68 kΩ.

        2.2 TEC驅(qū)動電流控制與放大電路

        與傳統(tǒng)的脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation, PWM)驅(qū)動開關輸出TEC控制器不同的是,ADN8830采用一半PWM輸出,一半線性輸出的驅(qū)動方式,并采用FDW2520芯片增強電路的驅(qū)動能力.FDW2520芯片內(nèi)部集成了一個N溝道和一個P溝道的半導體場效應晶體開關管,2只功率管為互補輸出型.線性工作模式可以減少H橋功率的損耗,PWM工作模式可以提高控制精度.PWM工作模式需要對TEC兩端的脈沖電流進行濾波.濾波網(wǎng)絡主要考慮通過電感的額定電流、濾波輸出的紋波系數(shù)和PWM的開關頻率.濾波電路的阻尼系數(shù)為

        (3)

        考慮ζ必須大于0.05,取L=4.7 μH,c=22 μF. 通過計算回路的阻尼系數(shù)為0.092,可以保證TEC建立時間的合理性.

        2.3 PID溫度補償網(wǎng)絡

        由ADN8830的結(jié)構(gòu)原理可知,溫度采集信號與目標溫度值差分放大后,經(jīng)過內(nèi)置補償放大器進行積分補償,調(diào)節(jié)TEC的響應時間以及溫度控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性.為了對激光器的溫度進行更加精確的控制,通常設計比例-積分-微分(proportion-integral-differential,PID)溫度補償網(wǎng)絡.

        PID控制是工業(yè)過程中應用最廣泛的策略之一,是溫度控制環(huán)路中的關鍵,是高精度控制的重要保障.PID算法的數(shù)學模型[14]為:

        (4)

        其中:KP為比例系數(shù);T1為積分時間常數(shù);TD為微分時間常數(shù). PID控制參數(shù)會直接影響系統(tǒng)的控制效果,因此,選取合適的優(yōu)化方案十分重要.對于圖3中的PID網(wǎng)絡通??赏ㄟ^以下步驟優(yōu)化參數(shù).

        1) 電容C9短路,電容C11開路,僅留下電阻R5和R6, 構(gòu)成簡單補償比例網(wǎng)絡.

        2) 增大R6/R5的比值,直至TEC兩端的電壓開始震蕩,然后再把R6/R5的值降為原來的1/2.

        3) 將電容C9串接到PID網(wǎng)絡中,調(diào)節(jié)電容C9的值,使TEC兩端的電壓開始震蕩,然后將C9增大至原來的2倍.

        4) 電阻R7短路,增大C11的值,直至TEC兩端的電壓開始震蕩,重新連接電阻R7, 此時減小C11或者增大R7均可以消除震蕩.通常來說,R7要遠大于R5,C11要比C9小1個至多個數(shù)量級.

        5) 在以上調(diào)節(jié)中,需要觀察輸出電壓的建立時間.最終根據(jù)最小建立時間的需要和消除輸出電壓過沖的影響,減小R7、C9和C11的值.

        6) 增加電容C10, 可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,降低噪聲的敏感性.

        根據(jù)以上步驟,本文設計如圖3的PID網(wǎng)絡結(jié)構(gòu).實驗證明,當C9=10 μF、C10=330 pF、C11=1 μF、R7=1.004 7 MΩ、R5=1 MΩ和R6=100 kΩ時,溫度調(diào)節(jié)時間小于15 s,溫度調(diào)節(jié)精度可達0.01 ℃.

        圖3 PID溫度補償網(wǎng)絡Fig.3 PID compensation network of temperature

        3 直流驅(qū)動模塊

        激光器對電流變化的承受能力較差,靜電、高壓、涌浪電流以及電網(wǎng)沖擊等都會對激光器造成永久性損壞,所以,對激光器的注入電流進行精確控制十分必要.直流驅(qū)動電路采用ADN2830作為主控芯片.ADN2830芯片通過改變流入激光器的偏置電流調(diào)整激光器的輸出光功率.圖4為驅(qū)動電路系統(tǒng)框圖,其中,芯片的PSET端(4腳)處的電壓維持在1.23 V恒定,PSET的電阻如式(5),由此可見,改變RPSET阻值,激光器的注入電流發(fā)生變化,可實現(xiàn)激光器輸出光功率可調(diào)節(jié)的目的.

        圖4 驅(qū)動電路系統(tǒng)框圖Fig.4 System block diagram of direct current driver

        (5)

        為了能夠較準確的對激光器的注入電流進行控制,同樣采用數(shù)字電位計AD5172代替電阻RPSET. 數(shù)字電位計的輸出電阻值

        (6)

        其中,D為AD5172輸出的電阻值的十進制表示法;RAB為數(shù)字電位計輸出的端電阻值;RW為數(shù)字電位計的滑臂電阻值.

        4 上位機控制模塊

        為實現(xiàn)遠程設備之間的數(shù)據(jù)傳輸功能,提高儀器智能化[15],本研究設計一套PC機為上位機,STM32單片機最小系統(tǒng)為下位機的串口通信數(shù)據(jù)系統(tǒng).上位機控制模塊的實現(xiàn)使操作更加方便、簡潔且人性化.

        4.1 上位機通信電路設計

        基于串口通信的上位機控制電路模塊主要由單片機最小系統(tǒng)和CH340通信電路組成.上位機與下位機的串口通信過程如圖5.上位機通過USB數(shù)據(jù)線連接CH340通信電路模塊.CH340的串行數(shù)據(jù)輸出端(TXD)和串行數(shù)據(jù)輸入端(RXD)分別與單片機的RXD端和TXD端實現(xiàn)交叉連接,最終實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸目的.

        圖5 串口通信模塊Fig.5 Serial communication module

        4.2 LabVIEW上位機控制模塊設計

        LabVIEW是美國國家儀器(National Instruments,NI)公司開發(fā)的圖形化編程平臺,具有強大的實時數(shù)據(jù)處理與顯示功能.通過調(diào)用LabVIEW中的VISA節(jié)點函數(shù),構(gòu)建基于已有設備的數(shù)據(jù)傳輸與控制平臺,實現(xiàn)上位機控制目標.

        LabVIEW上位機控制系統(tǒng)按照功能可分為串口初始化模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊.串口初始化模塊的核心部分是VISA配置串口函數(shù)的調(diào)用.VISA配置串口函數(shù)中的VISA資源名稱端口連接的是上位機的通信串口號,其他配置還包括波特率、停止位、校驗位以及數(shù)據(jù)位等.數(shù)據(jù)發(fā)送模塊的核心部分是VISA寫入函數(shù).此函數(shù)的功能是將寫入緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)寫入VISA資源名稱指定的設備或接口.圖6為設計的LabVIEW串口通信系統(tǒng)程序框圖.

        圖6 上位機控制模塊系統(tǒng)框圖Fig.6 Block diagram of host computer control module

        5 實驗結(jié)果分析

        圖7為本文研制的面向混沌激光器的溫控與直流驅(qū)動電路系統(tǒng)實物圖.其中,1為直流驅(qū)動模塊;2為溫度控制模塊;3為上位機控制模塊;4為電源模塊.

        圖7 混沌激光器的溫控與直流驅(qū)動電路實物圖Fig.7 Temperature controller and direct current driver system for chaotic laser

        測試該電路系統(tǒng)時所采用的激光器為實驗室自行研制的集成混沌半導體激光器.當激光器的工作溫度與預設溫度相同時,ADN8830的TEMPLOCK端(5腳)輸出高電平,激光器達到預設溫度,此時TEMPLOCK端的發(fā)光二極管發(fā)光.同時還設計了上位機運行指示燈,當上位機發(fā)送數(shù)據(jù)成功后,指示燈的狀態(tài)發(fā)生改變.實驗中通過上位機改變數(shù)字電位計的輸出電阻,從而實現(xiàn)激光器溫度與驅(qū)動電流可調(diào).數(shù)字電位計的輸出電阻變化范圍為0~10 kΩ,此時激光器的溫度控制范圍為18.09~42.02 ℃.數(shù)字電位計以步進電阻值輸出時,混沌激光器輸出光譜的中心波長調(diào)節(jié)精度為0.001 nm,其對應的溫度調(diào)節(jié)精度為0.01 ℃,如圖8.

        直流驅(qū)動模塊通過調(diào)節(jié)數(shù)字電位計AD5172的輸出電阻,改變激光器的注入電流.實驗驗證注入電流的范圍為2.3~60.5 mA,電流調(diào)節(jié)精度為0.01 mA. 通過測試激光器的注入電流與輸出光功率,得到混沌激光器的P-I特性曲線如圖9(a). 為測試溫度、驅(qū)動控制的穩(wěn)定性,設置激光器的輸出光功率恒定為1.400 mW,對激光器的輸出光功率進行連續(xù)監(jiān)測并記錄數(shù)據(jù),得出激光器在連續(xù)3 h內(nèi)輸出光功率偏移為±0.001 mW. 由此得出,激光器輸出功率穩(wěn)定,溫度控制穩(wěn)定,測試結(jié)果如圖9(b). 同理設置驅(qū)動電流恒定輸出21.190 mA,對驅(qū)動電流進行連續(xù)監(jiān)測并記錄數(shù)據(jù).實驗驗證,連續(xù)2 h內(nèi)輸出電流誤差為±0.005 mA,測試結(jié)果如圖9(c).

        圖8 混沌激光器輸出光譜圖Fig.8 Optical spectrum of the chaotic laser

        圖9 混沌激光器的溫控與直流驅(qū)動電路結(jié)果測試圖Fig.9 Test results of temperature controller and direct current driver system for chaotic laser

        結(jié) 語

        本研究設計了基于ADN8830的混沌激光器溫度控制電路,可以有效地對激光器的工作溫度進行控制,保證激光器輸出波長的穩(wěn)定性.溫度控制范圍為18.09~42.02 ℃,調(diào)節(jié)精度為0.01 ℃.基于ADN2830的激光器直流驅(qū)動控制電路,可以有效改變激光器的注入電流,實現(xiàn)高精度的驅(qū)動控制目標.驅(qū)動模塊電流輸出范圍為2.3~60.5 mA,電流調(diào)節(jié)精度為0.01 mA. 通過實驗驗證,當激光器輸出光功率為1.400 mW時,連續(xù)運行3 h,輸出光功率偏移為±0.001 mW,系統(tǒng)穩(wěn)定性良好.

        猜你喜歡
        溫度控制激光器高精度
        肥皂泡制成微小激光器?
        軍事文摘(2024年4期)2024-03-19 09:40:02
        船舶主機溫度控制方法優(yōu)化
        激光器發(fā)明60周年
        科學(2020年6期)2020-02-06 09:00:06
        高抗擾高精度無人機著艦縱向飛行控制
        鍛造溫度控制
        一體化半導體激光器的ANSYS熱仿真及結(jié)構(gòu)設計
        船載高精度星敏感器安裝角的標定
        基于模糊控制的PLC在溫度控制中的應用
        電子制作(2016年21期)2016-05-17 03:53:01
        基于注入鎖定法激光器的研究
        基于高精度測角的多面陣航測相機幾何拼接
        久久熟女少妇一区二区三区 | 精品激情成人影院在线播放| 99国产精品自在自在久久| 最近中文av字幕在线中文| 亚洲熟妇中文字幕日产无码| 国产人妻久久精品二区三区老狼| 免费观看a级毛片| 67194熟妇在线永久免费观看 | 影视先锋av资源噜噜| 国产乱人伦真实精品视频| 亚洲av毛片在线播放| 大陆国产乱人伦| 天堂√中文在线bt| 亚洲色AV天天天天天天| 永久免费观看的黄网站在线| 男女性爽大片视频| 人妻熟妇乱又伦精品视频app| 成人综合久久精品色婷婷| 蜜桃av中文字幕在线观看| 欧美大屁股xxxx高跟欧美黑人 | 精品福利一区| 国产精品高清国产三级国产av | 中文无码一区二区三区在线观看| 暖暖免费 高清 日本社区在线观看| 亚洲综合色婷婷七月丁香| 久久夜色国产精品噜噜亚洲av| 377p日本欧洲亚洲大胆张筱雨| 国产91精品成人不卡在线观看| 日本黑人人妻一区二区水多多| 综合国产婷婷精品久久99之一| 在线亚洲+欧美+日本专区| 在线国产视频精品视频| 91九色极品探花内射| 亚洲av综合av成人小说| 馬与人黃色毛片一部| 日本在线中文字幕一区| 国产成人久久精品一区二区三区| 色一情一乱一伦一区二区三区日本| 一区二区三区内射视频在线观看| 成年人视频在线观看麻豆| 国产精品人妻一区二区三区四|