CN102522696A

CN102522696A - 闭环数字式ld激光器驱动电路

Info

Publication number: CN102522696A
Application number: CN2011103898268A
Authority: CN
Inventors: 何笑迪; 徐东进; 詹敦平; 周四海
Original assignee: JIANGSU FIBER GRID CO Ltd
Current assignee: JIANGSU FIBER GRID CO Ltd
Priority date: 2011-11-30
Filing date: 2011-11-30
Publication date: 2012-06-27

Abstract

本项发明涉及精密光电检测技术，具体涉及一种闭环数字式LD激光器驱动电路。该电路包括有可获得待测二极管监测电流的PD监测模块，PD监测模块经差分放大模块和A/D转换电路后接入单片机；单片机可对二极管监测电流转换的电压量与监测电压参考值进行比较并产生电压偏差信号，再对偏差信号进行PID运算；单片机的运算结果数据经过D/A转换电路及电压/电流转换模块后，输出到LD驱动电路。本发明的电路将经典PID控制理论融入激光二极管功率控制中，采用数字调节方式，初始驱动电流可设置，最小电流可调量小，调节精度高，最大驱动电流可变。将该驱动电路与温度控制电路配合使用，可使激光二极管输出功率高度稳定且可调。

Description

闭环数字式LD激光器驱动电路

技术领域

本项发明涉及精密光电检测技术，具体涉及一种闭环数字式LD激光器驱动电路。

背景技术

在精密光电检测领域中，光源的微小波动会引起被测量的较大偏移，从而产生较大的测量误差。如在原子吸收特性检测中，常常需要检测特定波长的光波经吸收后的光功率前后对比。在这种情况下，对于光源稳定性的要求非常高，达到0.1％。稳定光源在光纤测量中像电子电路测试时用荡器作为信号源一样，要求发出高稳定、光功率可调的光信号。稳定光源是急待开发的光纤***测试仪器中的一种重要的基础设备。国内一些学者对稳定激光光源作了一些研究。有的设计方法使激光器注入电流稳定，并配合使用温控电路。这种方法虽然对稳定性有一定提高，但对其它影响因素缺乏考虑，不是一种闭环的控制***。有的对光功率的调节只使用模拟的积分调节，由于积分控制对稳态误差的消除作用是靠对误差的积累产生的，故反映不灵敏，且会使***稳定裕量下降，超调增大，一般不单独使用。

发明内容

本发明的要解决的技术问题是，提供一种控制精度高、功耗低的闭环数字式LD激光器驱动电路。

本发明的闭环数字式LD激光器驱动电路包括有可获得待测二极管监测电流的PD监测模块，PD监测模块经差分放大模块和A/D转换电路后接入单片机；单片机可对二极管监测电流转换的电压量与监测电压参考值进行比较并产生电压偏差信号，再对偏差信号进行PID运算；单片机的运算结果数据经过D/A转换电路及电压/电流转换模块后，输出到LD驱动电路。

本发明采用采用单片机控制，将光电二极管的监测电流经差分放大后变成一个电压量，经高精度A/D转换器采样量化后送入单片机，经单片机运算处理后，单片机直接驱动可编程电流源输出电流驱动LD工作。该电路将经典PID控制理论融入激光二极管功率控制中，采用数字调节方式，初始驱动电流(LD输出功率)可设置，最小电流可调量小，调节精度高，最大驱动电流可变。将该驱动电路与温度控制电路配合使用(LD的阈值电流和输出功率受工作温度的影响较大)，可使激光二极管输出功率高度稳定且可调。

附图说明

图1是本发明的***原理框图；

图2是本发明的差分放大模块的电路图。

具体实施方式

一、驱动电路设计

1激光二极管封装及参数

常见激光二极管封装有两种形式：共阳极与共阴极型。LD和监测激光器背向输出光功率的PIN光电二极管封装在一起。这里，LD采用SANYO655nm红光激光二极管，封装形式为共阳极(LD的正极与PD(光电二极管)的负极连接在一起)。LD最大输出光功率为30mW，阈值电流为40mA(25℃)，工作电流最大为110mA。PD的监测电流Im与激光器的输出功率P0在温度不变的情况下成线性关系，这为后面控制电路的设计提供了依据。

2电路原理

光电二极管的监测电流经差分放大后变成一个电压量，经高精度A/D转换器采样量化后送入单片机，与单片机内监测电压参考值(在设定功率条件下，监测电流经差分放大后变成的电压量的数字表示)之间作差，产生电压偏差信号；再对偏差信号进行PID运算，运算结果经D/A转换及电压-电流(V-I)变换后，成为LD的驱动电路。PID调节是为了使激光二极管输出功率稳定。这种单片机闭环控制***框图如图1所示。

3电路模块选型及计算

3.1差分放大模块

由图2可见，其电路监测电流很小，尤其当激光器输出功率＜10mW时。该电路采用德州仪器公司生产的超低偏置电流(≤75fA，fA＝10～15A)单片运算放大器OPA128，由于输入级采用介质隔离的场效应管组成，并改进了输入晶体管的几何图形，使得它具有独特的电气性能。OPA128由于其独特的性能，因而非常适合于传统上采用真空静电计管所组成的静电计级运算放大器方面的应用，如静电计、质谱仪、色谱仪、电荷放大器、离子测量、光电检测、高能射线仪器等^{错误！未找到引用源。}。这些应用的特殊之处在于它们具有极高的源阻抗、低噪声和超低偏置电流的特性，从下面给出的OPA128技术指标可以看出，它完全能满足这方面的特殊要求。

OPA128的主要技术指标：

输入偏置电流＜±75fA

输入失调电压＜±500μV

差模输入阻抗1013//1pF

共模输入阻抗1015//2pF

开环电压增益＞110dB

由于光电探测器工作在零偏置下，因此产生电流和光强具有良好的线性关系，通过I/V转换，可以得到供A/D转换的电压信号。

由图2可知，电路中输入Vo与输出I_i的关系如式：

V₀＝I_i×R₁

3.2模/数转换器

A/D转换器选用美信公司的MAX12557，是Maxim公司新推出的一种低功耗、小尺寸和高动态特性的14位高速模/数转换器，可广泛应用在要求低功耗的数据采集、数字接收机、便携式仪表等领域。转换器的片选信号、时钟线及数据线直接同单片机的I/O口直接相连。转换器的位数决定了检测控制电路的分辨率。14位转换器可把4.096V量程的电压量化成214份，所以调整差分放大器的增益使其输出电压最大值达到A/D转换器的满量程电压，则理论上对于光功率变化1/1214均可检测到，即该驱动电路可以检测到＜0.01％的激光器光功率变化，进而可在单片机中进行调节。

3.3可编程电流源

LD驱动电流源采用Linear公司可编程电流源芯片LT3092。

LT3092具有1％的初始准确度和非常低的温度系数。输出电流从0.5mA至200mA是可编程的，而且在1.5V至40V范围内电流调节优于10ppm/V。完全满足LD激光器的驱动需求。与其它模拟集成电路不同，LT3092采用特殊设计方法，以实现高DC和AC阻抗，从而确保稳定工作，而无需电源旁路电容器。由于LT3092无需电容器，因而非常适合于“本质安全”应用，在此类应用中，输出可能短路，而且不能容许任何瞬态放电。反向电源容限和热停机保护了该IC和负载。

此外，电路中单片机与计算机间通过USB口进行通信，采用的USB收发器为单片机自带USB接口。计算机通过USB口可对LD的初始驱动电流、参考监测电压进行设置，还可以对PID数字调节器的比例、积分、微分系数进行设定，这样可以方便快捷地整定出调节器的参数。存储器中存放一些设定参数以及暂存PID运算的中间结果。

二、数字PID调节

PID调节器控制结构简单，参数容易调整，不必求出被控对象的数字模型便可调节。其输入e(t)与输出u(t)间的关系为：

为了实现编程，将上式写成离散化，可写出第k次采样式PID的输出表达为：

式中，E(k)为第k次采样式的偏差值。设监测电压设定值为VOset，差分放大器第k次输出的采样值为Vo(k)，则：

E(k)＝Voset-Vo(k) (5)

为程序设计方便，将式(4)作进一步改进，设比例输出为：Up(k)＝KpE(k)，积分项输出为：Ui(k)＝K1E(k)+P1(k-1)，微分项输出为：UD(k)＝Kd[E(k)-E(k-1)]，那么式(4)可写成：

U(k)＝Up(k)+Ui(k)+UD(k) (6)

式(6)即为离散化的位置型PID编程方式，一般采用浮点运算。

在PID三种作用中，比例作用可对偏差作出及时响应；积分作用主要用来消除静差，改善***的静态特性；身分作用主要用来减少超调，克服振荡，使***趋向稳定，加快***的动作速度，减少超调时间，改善***的动态特性。若能将三种作用的强度配合适当，可以使控制器快速、平稳、准确，从而获得满意的控制效果。PID调节器的参数整定可以使用扩充临界比例度法。

三、温度控制电路

本发明实施例采用的ADN8830芯片是开关模式的单芯片TEC控制器，它是一个闭环控制***，通过负温度系数热敏电阻检测附于TEC上的激光管芯温度并将其转换为电压值，与来自DAC的模拟输入温度设置电压进行对比，产生一个误差信号经由PWM控制器驱动TEC来稳定激光二极管得温度。***的反馈环路通过高稳定性，低噪声的PID补偿网络构成，通过调整PID参数可以改变***响应特性。

ADN8830单芯片TEC控制器的主要优点：1.控制精度高，并具有自校正、自稳零、低漂移的特性，最大漂移电压低于250μV，在应用中，目标温度低于±0.01℃。2.***功耗低。在线性模式控制器中，一般采用推挽电路作为输出级，其功率效率低；开关模式控制器采用MOSFET开关管，导通时电阻很小，大大降低了***功耗。

Claims

1.一种闭环数字式LD激光器驱动电路，其特征是：它包括有可获得待测二极管监测电流的PD监测模块，PD监测模块经差分放大模块和A/D转换电路后接入单片机；单片机可对二极管监测电流转换的电压量与监测电压参考值进行比较并产生电压偏差信号，再对偏差信号进行PID运算；单片机的运算结果数据经过D/A转换电路及电压/电流转换模块后，输出到LD驱动电路。