基于MAX1968的半導(dǎo)體激光溫控電路設(shè)計(jì)

摘要：討論了一種半導(dǎo)體激光溫度控制電路的設(shè)計(jì)方案，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)視和控制激光器溫度，以穩(wěn)定激光器的輸出功率和波長(zhǎng)?？刂坪诵牟捎肞IC16C73單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的精確控制。熱電致冷器驅(qū)動(dòng)電路采用高集成、高性價(jià)比和高效率開(kāi)關(guān)型驅(qū)動(dòng)芯片MAX1968來(lái)實(shí)現(xiàn)。與傳統(tǒng)的分立元件設(shè)計(jì)方法相比，簡(jiǎn)化了80%的電路設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，激光器的溫度控制精度達(dá)到±0.1℃。
關(guān)鍵詞：MAX1968; 單片機(jī); 熱電致冷器; 半導(dǎo)體激光器; 溫度控制器; 

1  引　言

由于體積小、功耗低、壽命長(zhǎng)和易于調(diào)制，半導(dǎo)體激光器( Laser Diode)作為一種新型激光光源已廣泛應(yīng)用于通訊、醫(yī)療和測(cè)量等各個(gè)領(lǐng)域 ^[1]。LD易于調(diào)制的特點(diǎn)在于LD的輸出波長(zhǎng)易受溫度和注入電流的影響。普通LD的電流調(diào)制系數(shù)約為0.025nm/mA,；溫度調(diào)制系數(shù)約為0.3～0.4nm/℃^[2]。在對(duì)波長(zhǎng)穩(wěn)定性要求較高的場(chǎng)合，諸如干涉測(cè)量和光譜吸收氣體檢測(cè)待高精度測(cè)量應(yīng)用中，必須對(duì)LD溫度進(jìn)行精確控制。本文提供的設(shè)計(jì)方案能為半導(dǎo)體激光器的溫度控制提供有效支持。

2  硬件電路設(shè)計(jì)

半導(dǎo)體激光溫度控制器由MICROCHIP公司生產(chǎn)的PIC16C73單片機(jī)和MAXIM公司生產(chǎn)的TEC驅(qū)動(dòng)芯片MAX1968組成，主要包括溫度反饋電路、TEC驅(qū)動(dòng)電路、EEPROM存儲(chǔ)電路和鍵盤數(shù)碼管顯示控制電路。溫度控制電路利用熱敏電阻反饋LD管芯溫度，AD轉(zhuǎn)換器對(duì)該反饋信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換并輸入單片機(jī)，單片機(jī)將其與給定電壓比較，在進(jìn)行數(shù)字PID算法^[3]處理后，單片機(jī)控制DA轉(zhuǎn)換器輸出模擬控制電壓給MAX1968，從而調(diào)整MAX1968輸出到TEC的電流方向及大小。TEC 根據(jù)流過(guò)電流信號(hào)對(duì)激光器進(jìn)行制冷或加熱，使激光器溫度穩(wěn)定在所要求的值。激光器溫控系統(tǒng)須滿足控制精度高、溫度穩(wěn)定性好的要求，另外必須進(jìn)行雙向控制， 以適應(yīng)環(huán)境溫度變化和激光器工作條件變化。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1  半導(dǎo)體激光溫度控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

LD：激光發(fā)射管，PD：功率監(jiān)視器，TEC：熱電致冷器

2.1       MAX1968 TEC驅(qū)動(dòng)電路

熱電致冷器(TEC)是利用帕耳貼(Peltier)效應(yīng)進(jìn)行制冷或加熱的半導(dǎo)體器件。在TEC兩端加上直流工作電壓會(huì)使TEC的一端發(fā)熱，另一端致冷；把TEC兩端的電壓反向則會(huì)導(dǎo)致相反的熱流向。

常用的TEC溫度控制電路大多采用分立元件搭建的PID 電路，但分立電路需要進(jìn)行參數(shù)整定, 一般都是靠調(diào)試人員根據(jù)其經(jīng)驗(yàn)確定參數(shù)值, 也并不總是能達(dá)到控制要求, 而且分立電路容易引入噪聲, 影響控制精度。另外, 由于目前半導(dǎo)體激光器內(nèi)部通常集成了熱敏電阻和TEC, 價(jià)格比較昂貴, 若發(fā)生TEC過(guò)壓、過(guò)流情況, 容易把激光器燒壞, 搭建溫控系統(tǒng)時(shí)還須考慮到激光器的保護(hù)問(wèn)題。因此, 傳統(tǒng)的溫控系統(tǒng)很難完成半導(dǎo)體激光器的溫度控制要求, 而集成了控制電路與各種保護(hù)功能的專用芯片能夠較好地完成精確溫度控制的任務(wù)。

MAX1968是MAXIM公司推出的高度集成、高性價(jià)比和高效率開(kāi)關(guān)型驅(qū)動(dòng)器，適用于Peltier熱電制冷器模塊。它采用直接電流控制，消除了TEC中的浪涌電流。片內(nèi)FET在提供高效率的同時(shí)，盡可能地減少了外部元件。500kHz/1MHz開(kāi)關(guān)頻率和獨(dú)特的紋波消除電路減小了元件的尺寸和電源噪聲。MAX1968單電源工作，在芯片內(nèi)部的兩個(gè)同步降壓穩(wěn)壓器輸出引腳之間連接TEC，能夠提供±3A雙極性輸出。雙極性工作能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)“死區(qū)”溫度控制，以及避免了輕載電流時(shí)的非線性問(wèn)題。該方案通過(guò)少許加熱或制冷可避免控制系統(tǒng)在調(diào)整點(diǎn)非常接近環(huán)境工作點(diǎn)時(shí)的振蕩。MAX1968采用薄型28引腳TSSOP-EP封裝，工作于-40℃到+85℃的溫度范圍。

圖2所示為激光溫度控制器的TEC驅(qū)動(dòng)電路原理圖。熱敏電阻R_t上的電壓信號(hào)代表溫度的變化，該信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)放U5 OP07隔離后送至U6進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，AD轉(zhuǎn)換器采用MICROCHIP公司生產(chǎn)的單通道12位AD轉(zhuǎn)換芯片MCP3201，接口方式為SPI串行協(xié)議。MCP3201將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)送入PIC16C73單片機(jī)。單片機(jī)先將采集到的溫度信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波，再與設(shè)定的溫度值比較并進(jìn)行數(shù)字PID處理。之后單片機(jī)輸出控制信號(hào)至DA轉(zhuǎn)換器U5，DA轉(zhuǎn)換器根據(jù)單片機(jī)送來(lái)的控制信號(hào)輸出一個(gè)模擬控制電壓至MAX1968的CTLI引腳上，從而精確地設(shè)置連接在MAX1968 OS1與OS2引腳之間的TEC U4上所通過(guò)的電流方向與大小。DA轉(zhuǎn)換器選用MICROCHIP公司生產(chǎn)的單通道12位引腳DA芯片MCP4921，接口方式為SPI串行協(xié)議。MAXIP和MAXIN引腳分別用來(lái)設(shè)置允許通過(guò)TEC的加熱和制冷電流的最大值，而MAXV引腳用來(lái)設(shè)置允許加在TEC兩端的最大電壓。ITEC引腳的輸出電流與TEC中通過(guò)的電流具有線性關(guān)系，可以利用它實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)TEC中通過(guò)的電流大小。此外MAX1968還提供了一個(gè)引腳 ，在器件不工作的時(shí)候?qū)⑵潆娖嚼涂梢栽O(shè)置器件為關(guān)斷模式，從而減小器件功耗。

圖2  TEC驅(qū)動(dòng)電路原理圖

2.2       HD7279A鍵盤和數(shù)碼管顯示控制電路

HD7279A是北京比高科技公司推出的串行接口8位LED數(shù)碼管及64鍵鍵盤智能控制芯片，單芯片即可完成數(shù)碼管顯示和鍵盤接口的全部功能。HD7279A內(nèi)部含有譯碼器，可直接接受BCD碼或16進(jìn)制碼，并提供2種譯碼方式。此外，還具有多種控制指令，如消隱、閃爍、左移、右移和段尋址等。

在HD7279A檢測(cè)到有效按鍵時(shí)，其 引腳由高電平變?yōu)榈碗娖?，同時(shí)在單片機(jī)RB0引腳上觸發(fā)中斷。中斷發(fā)生后，單片機(jī)在RC0引腳輸出低電平（即HD7279A片選信號(hào) 變?yōu)榈碗娖剑┻x擇HD7279A器件，并通過(guò)串口協(xié)議發(fā)出“讀鍵盤數(shù)據(jù)命令”，HD7279A接收到該命令后，在CLK引腳的上升沿將檢測(cè)到的按鍵代碼從DATA引腳輸出至單片機(jī)。單片機(jī)根據(jù)按鍵代碼進(jìn)行相應(yīng)的處理。

在顯示數(shù)據(jù)時(shí)，單片機(jī)RC4引腳輸出的串行數(shù)據(jù)從HD7279A DATA引腳送入芯片，并由CLK端同步。當(dāng)片選信號(hào) 變?yōu)榈碗娖胶?，DATA引腳上的數(shù)據(jù)在CLK引腳的上升沿被寫入器件內(nèi)部的緩沖寄存器并顯示。

2.3       EEPROM存儲(chǔ)電路

　　 為使掉電后上次設(shè)定的參數(shù)不至于丟掉，系統(tǒng)還采用了MICROCHIP公司生產(chǎn)的串行EEPROM-24LC02進(jìn)行掉電前的參數(shù)存儲(chǔ)，接口方式為I2C串口協(xié)議。另外，由于熱敏電阻R_t的阻值會(huì)隨溫度的增加呈指數(shù)規(guī)律遞減，故代表溫度變化信號(hào)R_t上的電壓也呈現(xiàn)出非線性變化。因此在軟件處理中采用查表的方式來(lái)確定實(shí)測(cè)的溫度值。在24LC02中預(yù)先存儲(chǔ)有10~55℃范圍內(nèi)的溫度-電壓對(duì)應(yīng)值以備查詢。

3        軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用匯編語(yǔ)言進(jìn)行模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要由鍵盤、顯示、溫度采集AD轉(zhuǎn)換、溫度控制DA輸出、存儲(chǔ)器讀寫和PID數(shù)據(jù)處理等子程序構(gòu)成。圖3為主程序、中斷服務(wù)程序和中斷服務(wù)子程序流程圖。

圖3  系統(tǒng)程序流程圖

4        實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4為90分鐘內(nèi)每隔5分鐘測(cè)量一次所獲得的半導(dǎo)體激光器溫度控制的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。激光器購(gòu)自北京海特光電公司，型號(hào)FLMS-1310-112。器件封裝內(nèi)集成熱敏電阻和TEC，額定工作電流28.5mA。實(shí)驗(yàn)時(shí)環(huán)境溫度為23℃，激光二極管的工作溫度設(shè)置為25℃。從圖中曲線可以看出，系統(tǒng)穩(wěn)定后，激光二極管的溫度基本穩(wěn)定在25℃左右，偏差在±0.1℃內(nèi)。

圖4  半導(dǎo)體激光器溫度穩(wěn)定曲線

5           結(jié)    論

本文設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體激光溫度控制器經(jīng)過(guò)實(shí)踐表明：該控制器可以有效地對(duì)激光二極管的工作溫度進(jìn)行控制，電路的控制性能令人滿意。相比傳統(tǒng)的激光溫度控制方案，本文提出的設(shè)計(jì)方案創(chuàng)新之處在于：采用了MAX1968 TEC驅(qū)動(dòng)芯片和HD7279A鍵盤和數(shù)碼管顯示控制芯片，大大減少了電路分立元件的數(shù)量，改進(jìn)了系統(tǒng)噪聲性能，增加了系統(tǒng)的可靠性；采用PIC16C73單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波、數(shù)字PID處理等措施，減少了設(shè)計(jì)成本，增加了設(shè)計(jì)的靈活性。

6  致　　謝

本課題由國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目10574081資助，并感謝姚敏言老師和薛理立的辛勤工作。

參考文獻(xiàn):

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