功率穩(wěn)定可調(diào)LD驅(qū)動電路的設(shè)計

在精密光電檢測領(lǐng)域中，光源的微小波動會引起被測量的較大偏移，從而產(chǎn)生較大的測量誤差。如在半導(dǎo)體薄膜特性

檢測中，常常需要檢測薄膜反射比以求解出其它光電學參量。由于薄膜增長的緩慢(0.1mm級/秒)，反射比變化非常小，在這種情況下，對于光源穩(wěn)定性的要求非常高，達到0.1%。穩(wěn)定光源在光纖測量中像電子電路測試時用振蕩器作為信號源一樣，要求發(fā)出高穩(wěn)定、光功率可調(diào)的光信號。穩(wěn)定光源是急待開發(fā)的光纖系統(tǒng)測試儀器中的一種重要的基礎(chǔ)設(shè)備。

國內(nèi)一些學者對穩(wěn)定激光光源作了一些研究。有的設(shè)計方法使激光器注入電流穩(wěn)定，并配合使用溫控電路。這種方法雖然對穩(wěn)定性有一定提高，但對其它影響因素缺乏考慮，不是一種閉環(huán)的控制系統(tǒng)。有的對光功率的調(diào)節(jié)只使用模擬的積分調(diào)節(jié)，由于積分控制對穩(wěn)態(tài)誤差的消除作用是靠對誤差的積累產(chǎn)生的，故反映不靈敏，且會使系統(tǒng)穩(wěn)定裕量下降，超調(diào)增大，一般不單獨使用。這種方法的共同步是模擬調(diào)節(jié)。本文設(shè)計一種對輸出光功率進行閉環(huán)數(shù)字PID調(diào)節(jié)的激光二極管(LD)驅(qū)動電路。該電路使用高精度14位A/D、D/A轉(zhuǎn)換器，理論上對光功率的0.01%變化均可調(diào)節(jié)，且驅(qū)動電流最小節(jié)量<0.01m A，同時可精確設(shè)置初始驅(qū)動電流(光功率)。

驅(qū)動電路設(shè)計

1 激光二極管封裝及參數(shù)

常見激光二極管封裝有兩種形式：共陽極與共陰極型(圖1(a)所示)。LD和監(jiān)測激光器背向輸出光功率的PIN光電二極管封裝在一起。這里，LD采用SANYO655nm紅光激光二極管，封裝形式為共陽極(LD的正極與PD(光電二極管)的負極連接在一起)。LD最大輸出光功率為30mW，閾值電流為40mA(25℃),工作電流量大為110mA。PD的監(jiān)測電流Im與激光器的輸出功率P0在溫度不變的情況下成線性關(guān)系(圖1(b)所示)，這為后面控制電路的設(shè)計提供了依據(jù)。

2 電路原理

光電二極管的監(jiān)測電流經(jīng)差分放大后變成一個電壓量，經(jīng)高精度A/D轉(zhuǎn)換器采樣量化后送入單片機，與單片機內(nèi)監(jiān)測電壓參考值(在設(shè)定功率條件下，監(jiān)測電流經(jīng)差分放大后變成的電壓量的數(shù)字表示)之間作差，產(chǎn)生電壓偏差信號;再對偏差信號進行PID運算，運算結(jié)果經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換及電壓-電流(V-I)變換后，成為LD的驅(qū)動電路。PID調(diào)節(jié)是為了使激光二極管輸出功率穩(wěn)定。這種單片機閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

3 電路模塊選型及計算

3.1 差分放大模塊

由圖1(b)可見，監(jiān)測電流很小，尤其當激光器輸出功率<10mW時。如果把監(jiān)測電流通過一電阻接入放大器，則由于放大器的輸入阻抗太小以及電阻的溫漂問題，使放大器的輸入電壓受溫度影響非常大，從而導(dǎo)致A/D轉(zhuǎn)換器的輸入不準確。因此在設(shè)計中應(yīng)該消除或減小環(huán)境溫度對A/D轉(zhuǎn)換器輸入的影響。設(shè)計中使監(jiān)測電流與參考電流通過一個由四個阻值及溫度系數(shù)相等的高精度電阻組成的電橋電路，這樣溫度的影響會在相減中減小。放大器采用TI公司的高輸入阻抗精密差分放大器INA114，其原理圖如圖3所示。

其中，參考電流Iref可由另一INA114和OPA602得到。放大器的輸出電壓可由下式計算：

V0=(Iref-Im) ×R×(1+50k/Rg) (1)

3.2 模/數(shù)及數(shù)/模轉(zhuǎn)換器

A/D轉(zhuǎn)換器選用美信公司的MAX1062，D/A轉(zhuǎn)換器選用模擬器件公司的AD5551，它們都是14位的串行轉(zhuǎn)換器，適合于對速度要求不是很高的場合。轉(zhuǎn)換器的片選信號、時鐘線及數(shù)據(jù)線直接同單片機的用戶口P1相連。轉(zhuǎn)換器的位數(shù)決定了檢測控制電路的分辨率。14位轉(zhuǎn)換器可把4.096V量程的電壓量化成2 14份，所以調(diào)整差分放大器的增益使其輸出電壓最大值達到A/D轉(zhuǎn)換器的滿量程電壓，則理論上對于光功率變化1/12 14均可檢測到，即該驅(qū)動電路可以檢測到<0.01%的激光器光功率變化，進而可在單片機中進行調(diào)節(jié)。同樣設(shè)D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓經(jīng)V-I變化后的滿量程電流為150mA，則驅(qū)動電流的最小可調(diào)節(jié)量為150/2 14=0.01mA。

3.3 電壓/電流轉(zhuǎn)換

由于上述D/A轉(zhuǎn)換器的輸出無緩沖，故采用運放與場效應(yīng)管組成的共源放大電路。其中運放對輸出有緩沖作用。

圖4電路中V1為D/A的輸出電壓，場效應(yīng)管的漏極-源極的電流(即LD的驅(qū)動電流)為：

由上述可見，驅(qū)動電流由V1及小電阻Rs決定。在實際中取Rs為30Ω的高精度電阻，則由上式可得滿量程電流為150mA。由于LD正常工作時，其壓降為2V左右，所以這樣設(shè)計驅(qū)動電流最大值不會超過100mA，對LD可以起到保護作用。故驅(qū)動電流在0～100mA之間可調(diào)。由上式可見，最大驅(qū)動電流可以通過調(diào)節(jié)Rs的大小來得到，設(shè)計靈活性較大。

此外 ，電路中單片機與計算機間通過RS232串行口進行通信，采用的RS232收發(fā)器為MAX3232。計算機通過串口可對LD的初始驅(qū)動電流、參考監(jiān)測電壓進行設(shè)置，還可以對PID數(shù)字調(diào)節(jié)器的比例、積分、微分系數(shù)進行設(shè)定，這樣可以方便快捷地整定出調(diào)節(jié)器的參數(shù)。存儲器中存放一些設(shè)定參數(shù)以及暫存PID運算的中間結(jié)果。

數(shù)字PID調(diào)節(jié)

PID調(diào)節(jié)器控制結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)容易調(diào)整，不必求出被控對象的數(shù)字模型便可調(diào)節(jié)。其輸入e(t)與輸出u(t)間的關(guān)系為：

為了實現(xiàn)編程，將上式寫成離散化，可寫出第k次采樣式PID的輸出表達為：

式中，E(k)為第k次采樣式的偏差值。設(shè)監(jiān)測電壓設(shè)定值為V0set，差分放大器第k次輸出的采樣值為Vo(k)，則：

E(k)=Voset-Vo(k) (5)

為程序設(shè)計方便，將式(4)作進一步改進，設(shè)比例輸出為：Up(k)=KpE(k),積分項輸出為：Ui(k)=K1E(k)+P1(k-1)，微分項輸出為：UD(k)=Kd[E(k)-E(k-1)],那么式(4)可寫成：

U(k)=U p(k)+Ui(k)+UD(k) (6)

式(6)即為離散化的位置型PID編程方式，一般采用浮點運算。當Kp、KI、KD分別給出且存放在指不定期的內(nèi)部RAM中時，則完成式(6)位置型浮點運算PID運算程序的流程圖如圖5所示(初始化程序設(shè)置初值使E(k-1)=UI(k-1)=0)。

在PID三種作用中，比例作用可對偏差作出及時響應(yīng);積分作用主要用來消除靜差，改善系統(tǒng)的靜態(tài)特性;身分作用主要用來減少超調(diào)，克服振蕩，使系統(tǒng)趨向穩(wěn)定，加快系統(tǒng)的動作速度，減少超調(diào)時間，改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。若能將三種作用的強度配合適當，可以使控制器快速、平穩(wěn)、準確，從而獲得滿意的控制效果。PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定可以使用擴充臨界比例度法。

該設(shè)計將經(jīng)典PID控制理論融入激光二極管功率控制中，采用數(shù)字調(diào)節(jié)方式，初始驅(qū)動電流(LD輸出功率)可設(shè)置，最小電流可調(diào)量小，調(diào)節(jié)精度高，最大驅(qū)動電流可變。將該驅(qū)動電路與溫度控制電路配合使用(LD的閾值電流和輸出功率受工作溫度的影響較大)，可使激光二極管輸出功率高度穩(wěn)定且可調(diào)。