楊江濤，王健安，王 銀，胡 嘯

(太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院,山西 太原 030024)

目前,半導(dǎo)體激光器以其轉(zhuǎn)換效率高、體積小、重量輕、可靠性高,能直接調(diào)制以及能與其他半導(dǎo)體器件集成等優(yōu)勢(shì),近年來(lái)發(fā)展一直很迅猛,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于通信、光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、固體激光器泵浦、材料加工精密測(cè)量、生物醫(yī)療等領(lǐng)域[1-2]。半導(dǎo)體激光器的廣泛應(yīng)用,要求其驅(qū)動(dòng)電源也要不斷的發(fā)展和完善[3]。由于半導(dǎo)體激光器屬于超高功率密度器件,具有很高的電流和電壓穩(wěn)定度。以往的半導(dǎo)體激光器電源中,保護(hù)措施比較復(fù)雜,可移植性差,不易推廣,國(guó)外的一些性能較好的電源采用了比較完善的保護(hù)技術(shù),但其價(jià)格都比較昂貴[4-5]。

單片機(jī)的應(yīng)用目前已經(jīng)很成熟穩(wěn)定,且價(jià)格低廉,它適合于數(shù)字信號(hào)處理,能進(jìn)行大量數(shù)據(jù)計(jì)算,能應(yīng)用以往簡(jiǎn)單邏輯電路不能勝任的實(shí)時(shí)處理算法[6]。由于半導(dǎo)體激光器的特殊性需要防電流浪涌,同樣可以通過程序很好實(shí)現(xiàn),從而使電源性能產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。同時(shí),運(yùn)用單片機(jī)的軟硬件調(diào)節(jié)作用,可以很好地實(shí)現(xiàn)多功能的驅(qū)動(dòng)電源的輸出,達(dá)到半導(dǎo)體激光器不同應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)于電源的不同需求[7]。

半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源的技術(shù)指標(biāo)及質(zhì)量直接關(guān)系到激光輸出功率、效率和壽命。不符合要求的驅(qū)動(dòng)電源會(huì)導(dǎo)致激光器的性能急劇惡化乃至失效[8-9]。因此,半導(dǎo)體激光器對(duì)電源的要求非常高。首先,半導(dǎo)體激光器電源必須是恒流源,具備很高的電流穩(wěn)定度和很小的紋波系數(shù),否則會(huì)直接影響激光器激光輸出功率、波長(zhǎng)等的穩(wěn)定性[10]。其次,半導(dǎo)體激光電源中必須有特殊的抗電沖擊措施和保護(hù)電路,具有較高的抗干擾能力和抑制瞬態(tài)電流或電壓尖峰措施[11]。最后必須對(duì)紋波系數(shù)要求有特殊要求,能有效抑制諧波干擾和減小電網(wǎng)污染[12]。

基于以上分析,設(shè)計(jì)了一個(gè)基于STC89C52 的恒流源來(lái)驅(qū)動(dòng)激光器,以功率器件MOS 管作為調(diào)整管,通過控制MOS 管的柵極電壓,實(shí)現(xiàn)對(duì)激光管的電流控制。將恒流源電路產(chǎn)生的電流進(jìn)行采樣,并在LED 數(shù)碼管上實(shí)時(shí)顯示,待電流穩(wěn)定后再給激光器供電。該激光器電源具有限流保護(hù),延時(shí)軟啟動(dòng),短路保護(hù),使能控制等功能,具有效率高、工作穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn),達(dá)到精密恒流源的要求,且滿足負(fù)載正常穩(wěn)定工作時(shí)的指標(biāo)要求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 恒流源電路選擇

首先是恒流源電路的選擇,其中包括跟隨放大電路、功率驅(qū)動(dòng)電路、取樣放大電路、電流負(fù)反饋電路、限制電流保護(hù)電路、使能電路、延時(shí)軟啟動(dòng)電路組成。

恒流源電路框圖如圖1 所示。選擇了以功率器件MOS 管(IRF830)作為調(diào)整管,通過控制MOS 管的柵極電壓,實(shí)現(xiàn)對(duì)激光管的電流控制,采樣電阻接在MOS 管的源極(低端取樣),采樣信號(hào)(反饋信號(hào))經(jīng)儀表運(yùn)放放大反饋與設(shè)定值作差,產(chǎn)生誤差信號(hào),通過積分電路,調(diào)整MOS 管的柵極電壓,達(dá)到設(shè)定電流為恒流輸出的目的。

圖1 恒流源電路框圖

1.2 采樣顯示電路選擇

采用逐次逼近法A/D 轉(zhuǎn)換器,其精度、速度、價(jià)格適中,所以選擇此類轉(zhuǎn)換器。其中的ADC0809 是8位A/D 轉(zhuǎn)換器,每采集一次需100 μs。

采用STC89C52 芯片作為硬件核心。STC89C52 8 kB 內(nèi)部具有8 kB ROM 存儲(chǔ)空間,512 字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間,帶有2 k 字節(jié)的EEPROM 存儲(chǔ)空間,與MCS-51 系列單片機(jī)完全兼容,STC89C52 的程序可以通過串口下載。

顯示模塊采用LED 數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描。LED 數(shù)碼管價(jià)格便宜,對(duì)于顯示數(shù)字最合適。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)與仿真

2.1 恒流源電路及其工作原理

如圖2 所示:電路主要由跟隨放大電路、功率驅(qū)動(dòng)電路、取樣放大電路、電流負(fù)反饋電路、限制電流保護(hù)電路、使能電路、延時(shí)軟啟動(dòng)電路組成。

圖2 恒流源電路圖

如圖2,設(shè)輸入的電壓經(jīng)放大器U1跟隨后為V1,經(jīng)U2放大后為V2=A1×V1(A1為U2上的放大倍數(shù)),又設(shè)經(jīng)過半導(dǎo)體激光器的電流為I,則流過采樣電阻R6的電流也為I,即采樣電壓為R6×I,經(jīng)采樣放大后為A2×(R6×I),其中A2為經(jīng)AD620 的放大倍數(shù)。根據(jù)虛短,U3的同相輸入和反相輸入端電壓相等,即Vin＋=Vin-=0,則有流經(jīng)R3和R4與流過R10的電流大小相等,且方向相反,即V2/R3＋R4=A2×(R6×I)/R10可以得出:I=(A1×V1×R12)/(A2×(R3＋R4)×R6)。當(dāng)設(shè)定好R3,R4,R10,R6,A1,A2這些參數(shù)后,流過半導(dǎo)體激光器的電流I只與V1有關(guān),即只與輸入電壓有關(guān)。

2.1.1 跟隨及放大電路

為了提高了輸入阻抗,采用一個(gè)電壓跟隨器,這樣,輸入電容的容量可以大幅度減小,為應(yīng)用高品質(zhì)的電容提供了前提保證。直流電路中,電容為耦合電容,作用是作為兩放大器的級(jí)間連接,用于隔斷直流,讓交流信號(hào)或脈沖信號(hào)通過,使前后級(jí)放大電路的直流工作點(diǎn)互不影響。跟隨及放大電路中所用的是OP27,其電路仿真圖如圖3 所示。

圖3 跟隨及放大電路仿真圖

2.1.2 取樣及放大電路

在電流源電路中,取樣電阻的精密程度直接影響了電流輸出的穩(wěn)定性,在實(shí)驗(yàn)中使用額定功率10W、5.1 Ω 的功率電阻(R6),本文采用AD620 對(duì)其放大。仿真電路如圖4 所示。

圖4 取樣及放大電路仿真圖

2.1.3 短路保護(hù)電路

激光二極管平時(shí)不使用時(shí),如果裸露在空氣中,易受雷電或靜電破壞,因此在不使用時(shí),將一個(gè)接觸電阻很小的開關(guān)J1(實(shí)驗(yàn)中用的是繼電器常閉)與LD 并聯(lián)在一起即實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)。當(dāng)LD 不工作時(shí),將J1 閉合,使LD 的P 極和N 極短接,起到保護(hù)LD的作用；在LD 開始工作之前,必須先將開關(guān)J1 斷開,電流才能流過LD。仿真電路如圖5 所示。

圖5 短路保護(hù)及延時(shí)軟啟動(dòng)仿真圖

2.1.4 延時(shí)軟啟動(dòng)電路

為防止電流或電壓的波動(dòng)對(duì)激光器的破壞,因此使用時(shí)將電流緩慢地加在激光器兩端,同時(shí)為防止開機(jī)瞬間電壓突變,激光二極管兩端并聯(lián)一只電容C4,為防止供電電壓極性接反,在激光二極管兩端反向并聯(lián)一只二極管LED3。仿真電路如圖5 所示。

2.1.5 使能控制電路

當(dāng)單刀雙擲開關(guān)J2 與＋12 V 連接時(shí),LED4、LED5 導(dǎo)通,R3的右端電壓被鉗位到0,MOS 管的柵極電壓低于閾值電壓,MOS 管無(wú)漏極電流,激光二極管無(wú)電流流入,這樣可以避開開機(jī)時(shí)的波動(dòng)電流或電壓。當(dāng)單刀雙擲開關(guān)J2 與-12 V 連接時(shí),LED4、LED5 不導(dǎo)通,使能控制電路不影響主回路。仿真電路如圖6(a)和6(b)所示。

圖6 使能控制電路的仿真電路圖

2.1.6 限流保護(hù)電路

采樣電壓Va與VST比較,當(dāng)Va＞VST,二極管D5 導(dǎo)通,形成一個(gè)負(fù)反饋環(huán),使流經(jīng)半導(dǎo)體激光器的電流I減小,從而使Va減小,直到Va=VST。由此可見流過半導(dǎo)體激光器的最大電流是一個(gè)與VST有關(guān)的固定電流值,只要設(shè)定好VST的值(即限流值),可保護(hù)激光二極管不會(huì)因過流而毀壞。當(dāng)Va＜VST時(shí),二極管D5 不導(dǎo)通,此電路不影響主回路。仿真電路如圖7 所示。

圖7 Va＜VST 時(shí)限流保護(hù)電路仿真圖

2.2 采樣顯示電路

如圖8 所示:電路主要由A/D 轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊及顯示控制模塊組成。

圖8 采樣顯示電路圖

該電路原理是從恒流源部分取得采樣電壓,輸入到A/D 轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換完成后送入單片機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,獲得采樣電流值,最后送入數(shù)碼管中顯示出來(lái)?？刂葡到y(tǒng)采用STC89C52 單片機(jī),A/D 轉(zhuǎn)換采用ADC0809,顯示用4 位7 段LED 共陰數(shù)碼管。

2.2.1 A/D 轉(zhuǎn)換模塊

采集到的數(shù)據(jù)通過地址選擇線ABC 為000 選擇IN0 送入ADC0809 中,通過單機(jī)軟件產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)送入ADC0809,啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)束后通過輸出端送到STC 單片機(jī)的P0 口。輸出為Vout=Vin×255/5。仿真電路如圖9 所示。

圖9 A/D 轉(zhuǎn)換仿真圖

2.2.2 數(shù)據(jù)處理模塊

P0 口接到從ADC0809 傳來(lái)的數(shù)據(jù),送入單片機(jī)中進(jìn)行處理,將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成需要的電流值,然后通過P1 口送出段選碼,P2 口送出片選碼。輸出為:Iout=Vout/255×100。仿真電路如圖10 所示。

圖10 數(shù)據(jù)處理仿真圖

2.2.3 顯示控制模塊

4 位7 段共陰數(shù)碼管接到單片機(jī)送來(lái)的數(shù)據(jù),在顯示屏上顯示,通道3 固定輸出為小數(shù)點(diǎn),數(shù)據(jù)處理后得到的三位數(shù)分別送到通道1、2、4,便可顯示出采樣電流。

2.2.4 采樣顯示電路調(diào)試仿真

在輸入端接入一個(gè)滑動(dòng)變阻器用來(lái)調(diào)試電路。

(1)當(dāng)電壓輸入為0 V 時(shí),顯示輸出為0.00,如圖11(a)所示。

(2)當(dāng)電壓輸入為3.8 V 時(shí),顯示輸出為0.76,如圖11(b)所示。

(3)當(dāng)電壓輸入為5 V 時(shí),顯示輸出為1.00,如圖11(c)所示。

圖11 輸入不同電壓的電路仿真圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中,計(jì)數(shù)頻率算法和控制算法是其重要組成部分,正確的讀取數(shù)值和數(shù)值的優(yōu)化計(jì)算是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)精準(zhǔn)度和性能的前提,而控制算法是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化的靈魂。在研制過程中,我們著重對(duì)本儀器所涉及的計(jì)數(shù)和控制算法進(jìn)行了探討與研究。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,需要用到單片機(jī)來(lái)進(jìn)行AD 值讀取及顯示處理,其在系統(tǒng)軟件運(yùn)行的大部分時(shí)間都在不斷進(jìn)行。

3.1 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

控制主程序是系統(tǒng)軟件的主程序,是整個(gè)儀器軟件的核心,上電復(fù)位后儀器進(jìn)入主程序執(zhí)行命令。主程序流程圖如圖12 所示。

圖12 主程序流程圖

3.2 ADC0809 程序設(shè)計(jì)

恒流源產(chǎn)生的采樣電壓送入ADC0809,經(jīng)過AD 轉(zhuǎn)換,送出8 位數(shù)據(jù)。定時(shí)器0 以方式2 工作,ADC0809 讀取程序是非常簡(jiǎn)單的,只需給start 一個(gè)脈沖,等待轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志位eoc 為1 時(shí),即可讀取AD 值,轉(zhuǎn)換為8 位二進(jìn)制碼,送入單片機(jī)中。

3.3 數(shù)碼管顯示程序設(shè)計(jì)

數(shù)碼管接到從P1 口送來(lái)段選碼,P2 口送來(lái)片選碼,逐個(gè)通道顯示出來(lái)。將得到的數(shù)據(jù)乘以100,得到三位數(shù),數(shù)據(jù)除以10 取余得到個(gè)位數(shù),通過通道一送入數(shù)碼管。數(shù)據(jù)除以100 取余,再除以10 取得數(shù)的整數(shù)部分得到十位數(shù),通過通道二送入數(shù)碼管。小數(shù)點(diǎn)通過通道三送入數(shù)碼管。數(shù)據(jù)除以100取得數(shù)的整數(shù)部分得到百位數(shù),通過通道四送入數(shù)碼管。數(shù)碼管可顯示從0.00 到1.00。

4 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果與分析

4.1 恒流源電路的調(diào)試與分析

恒流源電路實(shí)物如圖13 所示,在一個(gè)面包板上焊接電路,多數(shù)器件為普通器件,最右端為大功率采樣電阻,在它的兩端可以測(cè)出采樣電壓。

圖13 恒流源電路實(shí)物

本電路在調(diào)試時(shí),由于實(shí)驗(yàn)室提供的電壓源最大為±12 V,用±12 V 為放大器供電,所以放大后的數(shù)據(jù)不能超過±12 V,所以輸入電壓為5 V 以內(nèi)。為了便于計(jì)算,采用的電阻使最后采樣電壓等于輸入電壓,也在5 V 以內(nèi)。最開始使用滑動(dòng)變阻器使輸入電壓為3.55 V,使用2 個(gè)100 Ω 的普通電阻并聯(lián)為50 Ω 作為采樣電阻,測(cè)得采樣電流為70 mA 左右,采樣電壓為3.5 V 左右。要給激光器供電,所以要增大電流,采樣電壓不能變化太大,所以改變采樣電阻。先用2 個(gè)普通的10 Ω 電阻并聯(lián)為5 Ω 的電阻,但由于普通電阻功率太小,所以這2 個(gè)10 Ω 的電阻燒毀了。又用了一個(gè)10 W,5.1 Ω 的大功率電阻,雖然功率有損耗,電阻很燙,但可以工作。采樣電流為0.69 A,采樣電壓為3.48 V。

4.2 采樣顯示電路的調(diào)試與分析

采樣顯示電路實(shí)物如圖14 所示。

圖14 采樣顯示電路實(shí)物

本電路在調(diào)試時(shí),由于要先把程序下載到單片機(jī)內(nèi),所以先在單片機(jī)要焊接的地方焊接了兩排底座,下載完成后可以直接將單片機(jī)插在底座上。先在Keil uVision4 軟件上編寫好程序,生成HEX 文件,又用Proteus 軟件仿真成功后,將HEX 文件下載到單片機(jī)里。第一次將單片機(jī)插到底座上時(shí)數(shù)碼管沒顯示,經(jīng)過各種測(cè)試,找到原因是單片機(jī)管腳和底座接觸不良,但底座拆下來(lái)會(huì)損壞面包板,而且底座只是與管腳接觸不良,所以在底座上又加了一層底座,經(jīng)過調(diào)試,能夠工作。

電路調(diào)試時(shí),連接了一個(gè)滑動(dòng)變阻器,可用于調(diào)試電路。由于顯示的是采樣電流,所以當(dāng)輸入為0～5 V 電壓時(shí),顯示為0.00～1.00。

(1)當(dāng)輸入電壓為0 V 時(shí),顯示為0.00。如圖15(a)所示。

圖15 輸入不同的電壓的數(shù)碼管顯示圖

(2)當(dāng)輸入電壓為3.82V 時(shí),顯示為0.75。如圖15(b)所示。

(3)當(dāng)輸入電壓為5.05V 時(shí),顯示為1.00。如圖15(c)所示。

4.3 總體調(diào)試顯示與分析

將恒流源電路與采樣顯示電路相連,數(shù)碼管顯示為0.69。如圖16 所示。

圖16 總體實(shí)物圖

由于激光器需要比較大的電流,但實(shí)際由于實(shí)驗(yàn)室條件有限,大功率電阻最小只有10 W,5.1 Ω,電流太大器件容易燒壞,所以電流設(shè)定為0.7 A左右。

電壓源輸入為3.55 V,按照計(jì)算I=(A1×V1×R12)/(A2×(R3＋R4)×R6),采樣電流應(yīng)為0.70 A,采樣電壓應(yīng)為3.55 V,但由于實(shí)際電路中,電阻、電容、放大器等元件本身有功耗,所以實(shí)際采樣電壓為3.48 V,采樣電流為0.69 A。

5 結(jié)論

隨著激光器的發(fā)展,激光器電源將會(huì)越來(lái)越受到重視。而激光器的“嬌氣”,也使激光器電源的設(shè)計(jì)有很大的阻礙。為了較好地維持激光器正常高效的工作狀態(tài),滿足系統(tǒng)特定參數(shù)的需求,設(shè)計(jì)了一種基于STC89C52 的高性能半導(dǎo)體激光器(LD)驅(qū)動(dòng)電源,該電源采用功率器件MOS 管作為調(diào)整管,通過控制MOS 管的柵極電壓,實(shí)現(xiàn)對(duì)激光管的電流控制。然后將恒流源電路產(chǎn)生的電流進(jìn)行采樣,并在LED 數(shù)碼管上實(shí)時(shí)顯示,待電流穩(wěn)定后再給激光器供電。最后通過對(duì)采樣顯示電路實(shí)物和激光器電源的總體實(shí)物進(jìn)行了各種調(diào)試,得出本文設(shè)計(jì)的電源不但精確度高,還具有限流保護(hù),延時(shí)軟啟動(dòng),短路保護(hù),使能控制等功能,具有效率高、工作穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn),達(dá)到精密恒流源的要求,且滿足負(fù)載正常穩(wěn)定工作時(shí)的指標(biāo)要求。