CN110148878A - 一种可调谐激光器的控制电路及控制方法 - Google Patents

一种可调谐激光器的控制电路及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可调谐激光器的控制电路及控制方法，包括：输出光波长调谐控制电路；所述输出光波长调谐控制电路包括：依次连接的FPGA控制器、DA转换芯片和压控恒流电路；FPGA控制器输出控制信号给DA转换芯片，DA转换芯片将接收到的控制信号转换为电压信号，并发送至压控恒流电路，压控恒流电路将电压信号转换为电流信号输入到可调谐激光器；通过控制输入到可调谐激光器的电流信号，能够实现对可调谐激光器输出光波长以及光功率的调谐。本发明有益效果：采用FPGA控制器和新型压控恒流电路设计，激光器输入电流精度高，切换速度快，稳定性好，实现可调谐激光器输出光波长的快速稳定调谐。

Description

一种可调谐激光器的控制电路及控制方法
技术领域
本发明涉及可调谐激光器技术领域，尤其涉及一种可调谐激光器的控制电路及控制方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
早在20世纪末，Yun.S.H等人就提出了基于波长可调谐激光器的光纤光栅解调理论，但一直受制于激光器的性能，该理论未被广泛应用。近几年，随着激光器制造工艺不断改进，高性能的可调谐激光器得以量产，使得基于波长可调谐激光器的光纤光栅传感器波长解调***成为研究热点。
基于可调谐激光器法实现光纤光栅传感器波长解调的核心器件是可调谐激光器，实现激光器输出光波长快速调谐可以有效提高解调***的解调频率，但是，现有的激光器波长调谐控制方法存在控制精度较低，稳定性较差以及切换速度较慢的不足。
另一方面，控制激光器内部温度适宜且恒定具有重要意义：一方面可以保护激光器内部模块，延长激光器使用寿命。因为激光器工作时会有热量产生，如果不对激光器内部温度进行控制，长时间工作很可能导致激光器过热而损坏激光器。另一方面，维持激光器内部温度恒定，可以排除温度对激光器输出光波长的影响，进而保证激光器波长输出准确性和稳定性。但是，目前的激光器温度控制方式，在温度调节速度和温度调节稳定性上不能实现很好的兼顾，无法满足可调谐激光器波长高速调谐时，需要快速稳定的温度调节的要求。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种可调谐激光器的控制电路及控制方法，通过硬件PID电路搭建温度闭环控制***，实现激光器内部温度快速稳定调节，通过设计新型压控恒流电路保证输入到激光器的电流精度高，切换速度快，稳定性好；实现了可调谐激光器输出光波长的稳定快速调谐。
在一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种可调谐激光器的控制电路，包括：输出光波长调谐控制电路；所述输出光波长调谐控制电路包括：依次连接的FPGA控制器、DA转换芯片和压控恒流电路；
所述FPGA控制器输出控制信号给DA转换芯片，DA转换芯片将接收到的控制信号转换为电压信号，并发送至压控恒流电路，压控恒流电路将电压信号转换为电流信号输入到可调谐激光器；通过控制输入到可调谐激光器的电流信号，能够实现对可调谐激光器输出光波长以及光功率的调谐。
进一步地，还包括温度控制电路，所述温度控制电路包括：依次连接的温度设定电路、差值电压计算电路、PID控制器和TEC控制器；
所述温度设定电路提供可调谐激光器内部控制温度所对应的参考电压值信号，并将电压值信号送至差值电压计算电路；所述差值电压计算电路计算上述电压值与可调谐激光器内部反馈温度对应的电压值的差值；所述差值作为偏差信号送入PID控制器；所述PID控制器根据偏差信号对电压值进行整定，整定后的电压值输入至TEC控制器；所述TEC控制器根据整定后的电压值输出激光器内部调节温度所需的控制电流。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种可调谐激光器的控制方法，包括：FPGA控制器输出控制信号到DA转换芯片，DA转换芯片输出稳定变换的电压信号，将电压信号转换为电流信号后作为可调谐激光器的输入电流；通过改变输入到可调谐激光器的电流值，能够直接影响激光器输出光波长以及光功率，实现输出光波长的调谐控制。
还包括：可调谐激光器内部NTC热敏电阻将温度反馈对应的电压与温度设定值对应的电压做差，所述差值输入PID控制器进行电压整定，整定后的电压输入到TEC控制器，TEC控制器对可调谐激光器内部TEC模块进行控制，实现可调谐激光器的温度控制。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
采用FPGA控制器和新型压控恒流电路设计，激光器输入电流精度高，切换速度快，稳定性好，实现可调谐激光器输出光波长的快速稳定调谐。
压控恒流部分是纯硬件电路，只存在模拟信号传递，当电路参数确定后，压流转换比例固定，不需要额外数学运算，因此电路输入快速变化电压信号时可以输出快速变化的电流信号。
利用激光器内部NTC热敏电阻和TEC模块，硬件设计了差值电压计算电路，PID控制器和TEC控制器，构成温度调节闭环***，整个温度调节***由硬件电路搭建，温度调节响应速度快，选择合适的PID整定参数，激光器温度调节稳定性良好。
附图说明
图1为实施例一中可调谐激光器控制电路整体结构示意图；
图2为实施例一中输出光波长调谐控制电路示意图；
图3为实施例一中温度控制电路示意图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一
在一个或多个实施方式中，公开了一种可调谐激光器的控制电路，如图1所示，可调谐激光器内部结构包括输出光反射区，输出光相位区，输出光增益区，NTC热敏电阻以及TEC模块。其中输出光反射区，输出光相位区影响激光器输出光的光波长，输出光增益区影响激光器输出光的光功率；NTC热敏电阻能够反映激光器内部温度，输出反馈电压，TEC模块受输入电流方向和大小的影响，实现对激光器制冷或制热，利用NTC热敏电阻和TEC模块可以实现对激光器的温度检测与调节。
本实施例中，可调谐激光器的控制电路可分为输出光控制部分和温度控制部分。输出光控制部分通过改变输入到激光器的电流值能够直接影响激光器输出光波长以及光功率，可调谐激光器输出快速稳定的调谐波长的条件是输入电流精度高，切换速度快，稳定性好；温度控制部分根据热敏电阻反馈温电压，需要快速调节TEC模块的输入电流，进而保证激光器温度稳定。
本实施例中，可调谐激光器的控制电路具体包括：输出光波长调谐控制电路和温度控制电路。
其中，输出光波长调谐控制电路包括：依次连接的FPGA控制器、电压型DA转换芯片和压控恒流电路；FPGA控制器包括时钟配置，***复位等功能，FPGA控制器采用并行处理方式，***时钟采用100MHz，信号处理速度快。电压型DA转换芯片包括其***电路设计，设置芯片参考电压与电压输出范围等。
FPGA控制器输出控制信号到电压型DA转换芯片，控制电压型DA转换芯片输出电压值，输出电压信号通过压控恒流电路转换为电流信号，电流信号输入到可调谐激光器直接控制输出光功率和光波长。按照可调谐激光器输入电流要求给定输入电流的值，能够实现可调谐激光器输出光波长的快速稳定调谐。
压控恒流电路如图2所示。电压型DA转换芯片输出的电压值作为压控恒流电路的输入值Vin。电路包括运算放大器U1，U1同相端连接电阻R1到输入电压Vin，反相输入端连接电阻R2到地(GND)。反馈电阻R3一端连接运算放大器U1的同相输入端，另一端连接电压跟随器U2的输出端。反馈电阻R4一端连接运算放大器U1的反相输入端，另一端连接电压跟随器U3的输出端。电压跟随器U2同相端连接采样电阻R5的一端，电压跟随器U3同相端连接采样电阻R5的另一端。运算放大器U1的输出端连接NPN型三极管Q1的基极，三极管Q1的发射极连接采样电阻R5，构建三极管扩流电路。
采样电阻两侧电压信号采用电压跟随器传递，对采样电阻两侧电压信号与反馈电压信号进行隔离，保证了采样电阻两侧电压信号稳定，进一步保证了转换电流信号的精度。
利用三极管引入扩流电路，为输出电流信号提供单独的电源，避免输出信号在运算放大器电路信号传递过程中受影响，提高电路稳定性。
压控恒流电路输出电流Iout是采样电阻R5两端电压差值(Va1-Vb1)与采样电阻R5阻值的比值电压跟随器同相输入端电压与输出端电压相等，那么Va1＝Va2，Vb1＝Vb2。通过进一步对运算放大器U1的同相输入端和反相输入端作节点电流分析，可以得到输出电流Iout与输入电压Vin的关系式，假定那么或
其中，温度控制电路如图3所示，包括：依次连接的温度设定电路、差值电压计算电路、PID控制器和TEC控制器；温度设定电路提供可调谐激光器内部控制温度所对应的参考电压值信号，并将电压值信号送至差值电压计算电路；差值电压计算电路计算上述电压值与可调谐激光器内部NTC热敏电阻反馈温度对应的电压值的差值；差值作为偏差信号送入PID控制器；PID控制器根据偏差信号对电压值进行整定，整定后的电压值输入至TEC控制器；TEC控制器根据整定后的电压值输出激光器内部TEC模块调节温度所需的控制电流。
NTC热敏电阻与电阻R2串联分压作为反馈电压U，反馈电压U的值为V_back，温度设定电压U0通过调节滑动变阻器R1给定，温度设定电压U0的值为V_set。
差值电压计算电路包括运算放大器U1A，同相输入端连接温度设定电压U0，反相输入端连接电阻R3到反馈电压U，输出端连接反馈电阻R4一端，反馈电阻R4另一端连接运算放大器U1A的反相输入端。差值电压计算电路输出差值电压为
PID电路包括运算放大器U2，同相输入端连接参考电压VREF，反相输入端连接电阻R5，电阻R6，电容C1到输入的偏差电压U1，输出端接反馈电容C2，C3以及反馈电阻R7到运算放大器U2的反相输入端。电阻R5,R6,R7和电容C1,C2,C3的数值影响PID电路的比例系数，积分时间和微分时间。
最终PID电路整定结果为：当差值电压U1大于参考电压VREF时，输出电压U2稳定到0V；当差值电压U1小于参考电压VREF时，输出电压U2稳定到供电电压VCC；当差值电压U等于参考电压VREF时，输出电压U2稳定到参考电压VREF。
选择合适的电阻电容参数值，能够快速稳定的实现上述PID整定过程。PID输出整定电压U2，作用于TEC控制器，然后TEC控制器控制TEC模块的TEC+电流和TEC-电流的输出方向和大小，使TEC模块表现为制冷或制热，缩小温度差值，进而实现激光器温度闭环调节。
本实施例可调谐激光器的控制电路工作原理如下：
激光器实际温度与设定温度存在偏差时，产生偏差电压信号，经PID整定作用于TEC控制器，TEC控制器控制TEC模块制冷或者制热，逐渐减小温度偏差，最终实现激光器实际温度与设定温度相同。在激光器温度快速稳定控制的基础上，FPGA控制器输出DA芯片控制信号，DA输出电压值，通过压控恒流电路得到控制激光器输出光波长与功率的电流，进而实现激光器输出光波长的调谐。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种可调谐激光器的控制电路，其特征在于，包括：输出光波长调谐控制电路；所述输出光波长调谐控制电路包括：依次连接的FPGA控制器、DA转换芯片和压控恒流电路；
所述FPGA控制器输出控制信号给DA转换芯片，DA转换芯片将接收到的控制信号转换为电压信号，并发送至压控恒流电路，压控恒流电路将电压信号转换为电流信号输入到可调谐激光器；通过控制输入到可调谐激光器的电流信号，能够实现对可调谐激光器输出光波长以及光功率的调谐。
2.如权利要求1所述的一种可调谐激光器的控制电路，其特征在于，所述压控恒流电路的输出电流与输入电压具有线性关系。
3.如权利要求1所述的一种可调谐激光器的控制电路，其特征在于，所述压控恒流电路包括：采样电阻R5，压控恒流电路的输出电流是采样电阻R5两端电压差值Va1-Vb1与采样电阻R5阻值的比值；采样电阻R5的两端分别依次连接电压跟随器、反馈电阻后接入运算放大器U1的同相输入端和反向输入端；运算放大器U1的同相输入端经过电阻R1连接到输入电压Vin，运算放大器U1的反相输入端经过电阻R2接地；运算放大器U1的输出端连接三极管Q1的基极，三极管Q1的发射极连接采样电阻R5。
4.如权利要求1所述的一种可调谐激光器的控制电路，其特征在于，所述压控恒流电路分别连接可调谐激光器的输出光反射区、输出光相位区以及输出光增益区。
5.如权利要求1所述的一种可调谐激光器的控制电路，其特征在于，还包括温度控制电路，所述温度控制电路包括：依次连接的温度设定电路、差值电压计算电路、PID控制器和TEC控制器；
所述温度设定电路提供可调谐激光器内部控制温度所对应的参考电压值信号，并将电压值信号送至差值电压计算电路；所述差值电压计算电路计算上述电压值与可调谐激光器内部反馈温度对应的电压值的差值；所述差值作为偏差信号送入PID控制器；所述PID控制器根据偏差信号对电压值进行整定，整定后的电压值输入至TEC控制器；所述TEC控制器根据整定后的电压值输出激光器内部调节温度所需的控制电流。
6.如权利要求5所述的一种可调谐激光器的控制电路，其特征在于，可调谐激光器内部NTC热敏电阻反馈的电压值为可调谐激光器内部温度对应的电压值，TEC控制器输出的控制电流信号送入可调谐激光器内部TEC模块，来调节可调谐激光器内部温度。
7.如权利要求5所述的一种可调谐激光器的控制电路，其特征在于，所述PID控制器的整定结果为：
当所述差值电压大于所述参考电压时，输出电压稳定到0V；
当所述差值电压小于所述参考电压时，输出电压稳定到供电电压VCC；
当所述差值电压等于所述参考电压时，输出电压稳定到所述参考电压。
8.如权利要求5所述的一种可调谐激光器的控制电路，其特征在于，所述温度设定电路采用滑动变阻器分压实现。
9.一种可调谐激光器的控制方法，其特征在于，包括：FPGA控制器输出控制信号到DA转换芯片，DA转换芯片输出稳定变换的电压信号，将电压信号转换为电流信号后作为可调谐激光器的输入电流；通过改变输入到可调谐激光器的电流值，能够直接影响激光器输出光波长以及光功率，实现输出光波长的调谐控制。
10.如权利要求9所述的一种可调谐激光器的控制方法，其特征在于，还包括：可调谐激光器内部NTC热敏电阻将温度反馈对应的电压与温度设定值对应的电压做差，所述差值输入PID控制器进行电压整定，整定后的电压输入到TEC控制器，TEC控制器对可调谐激光器内部TEC模块进行控制，实现可调谐激光器的温度控制。
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