CN111045466A - 一种激光器工作温度控制电路及其控制方法 - Google Patents

一种激光器工作温度控制电路及其控制方法 Download PDF

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CN111045466A CN201911227468.3A CN201911227468A CN111045466A CN 111045466 A CN111045466 A CN 111045466A CN 201911227468 A CN201911227468 A CN 201911227468A CN 111045466 A CN111045466 A CN 111045466A
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袁宏永
张飞
栾林
曹存智
毛赫
李云飞
李开远
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Hefei Institute for Public Safety Research Tsinghua University
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Anhui Zeone Safety Technology Co ltd
Hefei Institute for Public Safety Research Tsinghua University
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Abstract

本发明公开了一种激光器工作温度控制电路及其控制方法，包括主控芯片U1A、监控电路、配置电路、温度反馈电路以及激光器，所述激光器包括内置的热敏电阻，所述主控芯片U1A分别与配置电路以及温度反馈电路连接，所述监控电路与配置电路连接，所述配置电路与温度反馈电路连接，温度反馈电路与激光器内置的热敏电阻连接；本发明的优点在于：解决激光器温度调节的速度与调节稳定的矛盾，快速稳定的调节激光器的温度。

Description

一种激光器工作温度控制电路及其控制方法
技术领域
本发明涉及电路设计优化技术领域，更具体涉及一种激光器工作温度控制电路及其控制方法。
背景技术
近年来，可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)遥测甲烷浓度***的应用得到了广泛的应用。在甲烷遥测***中，对可调谐半导体激光器(DFB)的波长的精准控制对气体浓度的精确测量起着关键的作用，DFB的输出中心波长与甲烷气体的吸收峰必须对准。DFB的注入电流和温度变化都会引起其输出波长的变化，因此实际应用中应保持DFB工作温度的稳定。
中国专利公开号CN108508940A公开了激光器温度反馈调节控制电路及方法，根据反馈的激光器温度调节输出到激光器TEC端的电流，采用STM32芯片控制ADN8830温控芯片，STM32芯片通过调节输出到ADN8830温控芯片的电压，控制输出到激光器TEC端的电流。通过旋钮控制输入端设置激光器TEC电流的高电流值、低电流值和判定温度到达设定值的界限。通过ADN8830温控芯片反馈激光器的温度信号，当激光器温度未达到设定值时，电流输出按照设定高电流进行控制，增大温度调节速度；当激光器达温度到设定值时，电流输出按照设定的低电流进行控制，增大调节稳定度。其与现有的激光器温度控制电路都是设置一定的电流输出的，当激光器的温度达到设定值时，依然按照该电流输出。如果需要调节速度快，则该电流会设置的较大，当设定温度达到后，由于控制电流较大，则温度调节振荡的幅度较大，稳定度与电流较小时相比较差；而如果采用小电流控制，虽然达到设定温度后的稳定度较高，但在未达到设定温度时，温度的调节速度较慢，温度调节的速度与调节的稳定度成为了矛盾。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于如何提供一种解决激光器温度调节的速度与调节稳定的矛盾的激光器工作温度控制电路及其控制方法。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种激光器工作温度控制电路，包括主控芯片U1A、监控电路、配置电路、温度反馈电路以及激光器，所述激光器包括内置的热敏电阻，所述主控芯片U1A分别与配置电路以及温度反馈电路连接，所述监控电路与配置电路连接，所述配置电路与温度反馈电路连接，温度反馈电路与激光器内置的热敏电阻连接。封装在激光器中的热敏电阻在不同环境温度下的阻值不同，将热敏电阻与温度反馈电路连接，主控芯片U1A通过设置温度反馈电路中可调电阻器的阻值，快速调节温度，同时主控芯片U1A调节配置电路的电流输出端最大输出电流和电势差，主控芯片U1A根据监控电路反馈的输出电流方向与大小判断状态是否正常，若异常则关闭配置电路输出功能，保证快速调节温度的同时保证较大输出电流，解决温度调节的速度与调节稳定的矛盾。
优选的，所述激光器内部集成了制冷片，所述制冷片与所述配置电路连接。
优选的，所述监控电路包括电阻R3、电阻R4、电阻R2、电容C1、运算放大器A1、运算放大器A2、二极管D1、二极管D2、三极管Q1、三极管Q2、电阻R1以及比较器U1，所述电阻R3的一端接电阻R4的一端，电阻R4的另一端接电容C1的一端，电容C1的另一端接地；电容C1的一端接电阻R2的一端，电阻R2的另一端接运算放大器A2的同相端；电阻R3的另一端接运算放大器A1的同相端，运算放大器A1的反相端接三极管Q2的集电极，运算放大器A2的反相端接三极管Q1的集电极，运算放大器A1的电源正端以及运算放大器A2的电源正端均接电源V+，运算放大器A1的电源负端和运算放大器A2的电源负端均接电源V-；运算放大器A1的输出端接二极管D1的正极，二极管D1的负极接三极管Q1的基极，运算放大器A2的输出端接二极管D2的正极，二极管D2的负极接三极管Q2的基极；三极管Q1的发射极接三极管Q2的发射极，电阻R1的一端接三极管Q1的发射极，另一端接ADC采集模块；比较器U1的反相端接运算放大器A1的输出端，比较器U1的同相端接运算放大器A2的输出端，比较器U1的电源正端接电源V+，比较器U1的电源负端接电源V-。
TEC控制器U4的引脚ITEC串联取样电阻R4与电容C1后接地。取样电阻R4的两端接入由两个运放A1和A2组成的差分放大电路，差分放大的输出端分别接入比较器U1的输入端，比较器U1的输出端的电平高低可指示TEC控制器U4的输出电流的流向(即电流由LXP端流向LXN端或LXN端流向LXP端)。电流流经采样电阻R1后，由ADC采集模块采集电压幅值，实时跟踪TEC控制器U4的输出电流的大小。
优选的，所述比较器U1的型号为OP27。
优选的，所述配置电路包括第一可调电阻器U2、电阻R5、TEC控制器U4以及电容C6，所述第一可调电阻器U2的第四引脚接地，第一可调电阻器U2的第八引脚接电源V1，第一可调电阻器U2的第六引脚接TEC控制器U4的引脚MAXIN，第一可调电阻器U2的第五引脚接TEC控制器U4的引脚MAXV，电阻R5的一端接第一可调电阻器U2的第五引脚，电阻R5的另一端接地；TEC控制器U4的引脚MAXIN和引脚MAXIP以及引脚VREF均接参考电源VREF；TEC控制器U4的引脚VDD接电源V1，TEC控制器U4的引脚GND接地，TEC控制器U4的引脚ITEC接电阻R3的一端；TEC控制器U4的引脚LXP接制冷片的正极和TEC控制器U4的引脚LXN接制冷片的负极，所述制冷片为激光器内部集成的制冷片，TEC控制器U4的引脚COMP接电容C6的一端，电容C6的另一端接地。主控芯片U1A通过设置第一可调电阻器U2的阻值调节TEC控制器U4的电流输出端最大输出电流和电势差；主控芯片U1A根据监控电路反馈的输出电流方向与大小判断状态是否正常，若异常则关闭TEC控制器U4的输出功能。
优选的，所述第一可调电阻器U2的型号为MCP4641T-503E/ML。
优选的，所述温度反馈电路包括第二可调电阻器U3、电阻R9、电阻R8、热敏电阻RT1、电阻R10、电容C5、运算放大器A3、电容C2、电阻R7、电容C3、电阻R6以及电容C4，所述热敏电阻RT1为激光器中内置的热敏电阻，所述第二可调电阻器U3的第八引脚接电源V1，第二可调电阻器U3的第六引脚接电阻R9的一端并接参考电源VREF，电阻R9的另一端接电阻R8的一端，电阻R8的另一端接运算放大器A3的反相端，第二可调电阻器U3的第五引脚接电容C5的一端，电容C5的另一端接地，电容C5的一端接热敏电阻RT1的一端，热敏电阻RT1的另一端接地，热敏电阻RT1的一端接运算放大器A3的同相端，电阻R10的一端接电阻R8的一端，电阻R10的另一端接地；运算放大器A3的电源正端接电源V+，运算放大器A3的电源负端接电源V-；运算放大器A3的反相端接电容C2的一端，电容C2的另一端接电阻R7的一端，电阻R7的另一端接TEC控制器U4的引脚CTLI，电容C2的一端接电阻R6的一端，电阻R6的另一端接电容C4的一端，电容C4的另一端接地，电容C3的一端接运算放大器A3的输出端，电容C3的另一端接电阻R6的一端。
参考电源VREF经第二可调电阻器U3串联激光器中热敏电阻后接地。主控芯片U1A通过设置第二可调电阻器U3的阻值，使运算放大器A3的两个输入端在目标温度条件下的电压相同。
优选的，所述主控芯片U1A的第十引脚接所述比较器U1的输出端，所述主控芯片U1A的第五十九引脚、第六十引脚以及第六十一引脚分别接所述第一可调电阻器U2的第一引脚、第二引脚以及第三引脚，主控芯片U1A的第三十三引脚接TEC控制器U4的引脚SHDN，主控芯片U1A的第三十六引脚、第三十四引脚以及第三十五引脚分别接所述第二可调电阻器U3的第一引脚、第二引脚以及第三引脚。
优选的，所述主控芯片U1A的型号为STM32L452RET6。
本发明还提供一种激光器工作温度控制电路的控制方法，所述方法包括：主控芯片U1A通过设置温度反馈电路中可调电阻器的阻值，快速调节温度，同时主控芯片U1A调节配置电路的电流输出端最大输出电流和电势差；主控芯片U1A还根据监控电路反馈的输出电流方向与大小判断状态是否正常，若异常则关闭配置电路输出功能。
本发明的优点在于：本发明将封装在激光器中的热敏电阻与温度反馈电路连接，主控芯片U1A通过设置温度反馈电路中可调电阻器的阻值，快速调节温度，同时主控芯片U1A调节配置电路的电流输出端最大输出电流和电势差，主控芯片U1A根据监控电路反馈的输出电流方向与大小判断状态是否正常，若异常则关闭配置电路输出功能，保证快速调节温度的同时保证稳定输出较大电流，解决温度调节的速度与调节稳定的矛盾。
附图说明
图1为本发明实施例所公开的一种激光器工作温度控制电路的框图；
图2为本发明实施例所公开的一种激光器工作温度控制电路中监控电路的原理图；
图3为本发明实施例所公开的一种激光器工作温度控制电路中配置电路的原理图；
图4为本发明实施例所公开的一种激光器工作温度控制电路中温度反馈电路的原理图；
图5为本发明实施例所公开的一种激光器工作温度控制电路中主控芯片的原理图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种激光器工作温度控制电路，包括主控芯片U1A、监控电路、配置电路、温度反馈电路以及激光器，所述激光器包括内置的热敏电阻，所述主控芯片U1A分别与配置电路以及温度反馈电路连接，所述监控电路与配置电路连接，所述配置电路与温度反馈电路连接，温度反馈电路与激光器内置的热敏电阻连接。所述激光器内部集成了制冷片，所述制冷片与所述配置电路连接。
如图2所示，所述监控电路包括电阻R3、电阻R4、电阻R2、电容C1、运算放大器A1、运算放大器A2、二极管D1、二极管D2、三极管Q1、三极管Q2、电阻R1以及比较器U1，所述比较器U1的型号为OP27。
所述电阻R3的一端接电阻R4的一端，电阻R4的另一端接电容C1的一端，电容C1的另一端接地；电容C1的一端接电阻R2的一端，电阻R2的另一端接运算放大器A2的同相端；电阻R3的另一端接运算放大器A1的同相端，运算放大器A1的反相端接三极管Q2的集电极，运算放大器A2的反相端接三极管Q1的集电极，运算放大器A1的电源正端以及运算放大器A2的电源正端均接电源V+，运算放大器A1的电源负端和运算放大器A2的电源负端均接电源V-；运算放大器A1的输出端接二极管D1的正极，二极管D1的负极接三极管Q1的基极，运算放大器A2的输出端接二极管D2的正极，二极管D2的负极接三极管Q2的基极；三极管Q1的发射极接三极管Q2的发射极，电阻R1的一端接三极管Q1的发射极，另一端接ADC采集模块；比较器U1的反相端接运算放大器A1的输出端，比较器U1的同相端接运算放大器A2的输出端，比较器U1的电源正端接电源V+，比较器U1的电源负端接电源V-。
TEC控制器U4的引脚ITEC串联取样电阻R4与电容C1后接地。取样电阻R4的两端接入由两个运放A1和A2组成的差分放大电路，差分放大的输出端分别接入比较器U1的输入端，比较器U1的输出端的电平高低可指示TEC控制器U4的输出电流的流向(即电流由LXP端流向LXN端或LXN端流向LXP端)。电流流经采样电阻R1后，由ADC采集模块采集电压幅值，实时跟踪TEC控制器U4的输出电流的大小。
如图3所示，所述配置电路包括第一可调电阻器U2、电阻R5、TEC控制器U4以及电容C6，所述第一可调电阻器U2的型号为MCP4641T-503E/ML。所述第一可调电阻器U2的第四引脚接地，第一可调电阻器U2的第八引脚接电源V1，第一可调电阻器U2的第六引脚接TEC控制器U4的引脚MAXIN，第一可调电阻器U2的第五引脚接TEC控制器U4的引脚MAXV，电阻R5的一端接第一可调电阻器U2的第五引脚，电阻R5的另一端接地；TEC控制器U4的引脚MAXIN和引脚MAXIP以及引脚VREF均接参考电源VREF；TEC控制器U4的引脚VDD接电源V1，TEC控制器U4的引脚GND接地，TEC控制器U4的引脚ITEC接电阻R3的一端；TEC控制器U4的引脚LXP接制冷片的正极和TEC控制器U4的引脚LXN接制冷片的负极，所述制冷片为激光器内部集成的制冷片，TEC控制器U4的引脚COMP接电容C6的一端，电容C6的另一端接地。主控芯片U1A通过设置第一可调电阻器U2的阻值调节TEC控制器U4的电流输出端最大输出电流和电势差；主控芯片U1A根据监控电路反馈的输出电流方向与大小判断状态是否正常，若异常则关闭TEC控制器U4的输出功能。
如图4所示，所述温度反馈电路包括第二可调电阻器U3、电阻R9、电阻R8、热敏电阻RT1、电阻R10、电容C5、运算放大器A3、电容C2、电阻R7、电容C3、电阻R6以及电容C4，所述热敏电阻RT1为激光器中内置的热敏电阻，所述第二可调电阻器U3的第八引脚接电源V1，第二可调电阻器U3的第六引脚接电阻R9的一端并接参考电源VREF，电阻R9的另一端接电阻R8的一端，电阻R8的另一端接运算放大器A3的反相端，第二可调电阻器U3的第五引脚接电容C5的一端，电容C5的另一端接地，电容C5的一端接热敏电阻RT1的一端，热敏电阻RT1的另一端接地，热敏电阻RT1的一端接运算放大器A3的同相端，电阻R10的一端接电阻R8的一端，电阻R10的另一端接地；运算放大器A3的电源正端接电源V+，运算放大器A3的电源负端接电源V-；运算放大器A3的反相端接电容C2的一端，电容C2的另一端接电阻R7的一端，电阻R7的另一端接TEC控制器U4的引脚CTLI，电容C2的一端接电阻R6的一端，电阻R6的另一端接电容C4的一端，电容C4的另一端接地，电容C3的一端接运算放大器A3的输出端，电容C3的另一端接电阻R6的一端。
参考电源VREF经第二可调电阻器U3串联激光器中热敏电阻后接地。主控芯片U1A通过设置第二可调电阻器U3的阻值，使运算放大器A3的两个输入端在目标温度条件下的电压相同。
如图5所示，所述主控芯片U1A的型号为STM32L452RET6。所述主控芯片U1A的第十引脚接所述比较器U1的输出端，所述主控芯片U1A的第五十九引脚、第六十引脚以及第六十一引脚分别接所述第一可调电阻器U2的第一引脚、第二引脚以及第三引脚，主控芯片U1A的第三十三引脚接TEC控制器U4的引脚
Figure BDA0002302639190000101
主控芯片U1A的第三十六引脚、第三十四引脚以及第三十五引脚分别接所述第二可调电阻器U3的第一引脚、第二引脚以及第三引脚。
本发明还提供一种激光器工作温度控制电路的控制方法，所述方法包括：主控芯片U1A通过设置第一可调电阻器U2的阻值调节TEC控制器U4的电流输出端最大输出电流和电势差；主控芯片U1A根据监控电路反馈的输出电流方向与大小判断状态是否正常，若异常则关闭TEC控制器U4的输出功能。
参考电源VREF经第二可调电阻器U3串联激光器中热敏电阻后接地。主控芯片U1A通过设置第二可调电阻器U3的阻值，使运算放大器A3的两个输入端在目标温度条件下的电压相同。
TEC控制器U4的引脚ITEC串联取样电阻R4与电容C1后接地。取样电阻R4的两端接入由两个运放A1和A2组成的差分放大电路，差分放大的输出端分别接入比较器U1的输入端，比较器U1的输出端的电平高低可指示TEC控制器U4的输出电流的流向(即电流由LXP端流向LXN端或LXN端流向LXP端)。电流流经采样电阻R1后，由ADC采集模块采集电压幅值，实时跟踪TEC控制器U4的输出电流的大小。
主控芯片U1A通过设置温度反馈电路中可调电阻器的阻值，快速调节温度，同时主控芯片U1A调节配置电路的电流输出端最大输出电流和电势差，保证快速调节温度的同时保证较大输出电流，解决温度调节的速度与调节稳定的矛盾。
通过以上技术方案，本发明公开的一种激光器工作温度控制电路及其控制方法，将封装在激光器中的热敏电阻与温度反馈电路连接，主控芯片U1A通过设置温度反馈电路中可调电阻器的阻值，快速调节温度，同时主控芯片U1A调节配置电路的电流输出端最大输出电流和电势差，主控芯片U1A根据监控电路反馈的输出电流方向与大小判断状态是否正常，若异常则关闭配置电路输出功能，保证快速调节温度的同时保证较大输出电流，解决温度调节的速度与调节稳定的矛盾。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种激光器工作温度控制电路，其特征在于，包括主控芯片U1A、监控电路、配置电路、温度反馈电路以及激光器，所述激光器包括内置的热敏电阻，所述主控芯片U1A分别与配置电路以及温度反馈电路连接，所述监控电路与配置电路连接，所述配置电路与温度反馈电路连接，温度反馈电路与激光器内置的热敏电阻连接。
2.根据权利要求1所述的一种激光器工作温度控制电路，其特征在于，所述激光器内部集成了制冷片，所述制冷片与所述配置电路连接。
3.根据权利要求2所述的一种激光器工作温度控制电路，其特征在于，所述监控电路包括电阻R3、电阻R4、电阻R2、电容C1、运算放大器A1、运算放大器A2、二极管D1、二极管D2、三极管Q1、三极管Q2、电阻R1以及比较器U1，所述电阻R3的一端接电阻R4的一端，电阻R4的另一端接电容C1的一端，电容C1的另一端接地；电容C1的一端接电阻R2的一端，电阻R2的另一端接运算放大器A2的同相端；电阻R3的另一端接运算放大器A1的同相端，运算放大器A1的反相端接三极管Q2的集电极，运算放大器A2的反相端接三极管Q1的集电极，运算放大器A1的电源正端以及运算放大器A2的电源正端均接电源V+，运算放大器A1的电源负端和运算放大器A2的电源负端均接电源V-；运算放大器A1的输出端接二极管D1的正极，二极管D1的负极接三极管Q1的基极，运算放大器A2的输出端接二极管D2的正极，二极管D2的负极接三极管Q2的基极；三极管Q1的发射极接三极管Q2的发射极，电阻R1的一端接三极管Q1的发射极，另一端接ADC采集模块；比较器U1的反相端接运算放大器A1的输出端，比较器U1的同相端接运算放大器A2的输出端，比较器U1的电源正端接电源V+，比较器U1的电源负端接电源V-。
4.根据权利要求3所述的一种激光器工作温度控制电路，其特征在于，所述比较器U1的型号为OP27。
5.根据权利要求3所述的一种激光器工作温度控制电路，其特征在于，所述配置电路包括第一可调电阻器U2、电阻R5、TEC控制器U4以及电容C6，所述第一可调电阻器U2的第四引脚接地，第一可调电阻器U2的第八引脚接电源V1，第一可调电阻器U2的第六引脚接TEC控制器U4的引脚MAXIN，第一可调电阻器U2的第五引脚接TEC控制器U4的引脚MAXV，电阻R5的一端接第一可调电阻器U2的第五引脚，电阻R5的另一端接地；TEC控制器U4的引脚MAXIN和引脚MAXIP以及引脚VREF均接参考电源VREF；TEC控制器U4的引脚VDD接电源V1，TEC控制器U4的引脚GND接地，TEC控制器U4的引脚ITEC接电阻R3的一端；TEC控制器U4的引脚LXP接制冷片的正极和TEC控制器U4的引脚LXN接制冷片的负极，所述制冷片为激光器内部集成的制冷片，TEC控制器U4的引脚COMP接电容C6的一端，电容C6的另一端接地。
6.根据权利要求5所述的一种激光器工作温度控制电路，其特征在于，所述第一可调电阻器U2的型号为MCP4641T-503E/ML。
7.根据权利要求5所述的一种激光器工作温度控制电路，其特征在于，所述温度反馈电路包括第二可调电阻器U3、电阻R9、电阻R8、热敏电阻RT1、电阻R10、电容C5、运算放大器A3、电容C2、电阻R7、电容C3、电阻R6以及电容C4，所述热敏电阻RT1为激光器中内置的热敏电阻，所述第二可调电阻器U3的第八引脚接电源V1，第二可调电阻器U3的第六引脚接电阻R9的一端并接参考电源VREF，电阻R9的另一端接电阻R8的一端，电阻R8的另一端接运算放大器A3的反相端，第二可调电阻器U3的第五引脚接电容C5的一端，电容C5的另一端接地，电容C5的一端接热敏电阻RT1的一端，热敏电阻RT1的另一端接地，热敏电阻RT1的一端接运算放大器A3的同相端，电阻R10的一端接电阻R8的一端，电阻R10的另一端接地；运算放大器A3的电源正端接电源V+，运算放大器A3的电源负端接电源V-；运算放大器A3的反相端接电容C2的一端，电容C2的另一端接电阻R7的一端，电阻R7的另一端接TEC控制器U4的引脚CTLI，电容C2的一端接电阻R6的一端，电阻R6的另一端接电容C4的一端，电容C4的另一端接地，电容C3的一端接运算放大器A3的输出端，电容C3的另一端接电阻R6的一端。
8.根据权利要求7所述的一种激光器工作温度控制电路，其特征在于，所述主控芯片U1A的第十引脚接所述比较器U1的输出端，所述主控芯片U1A的第五十九引脚、第六十引脚以及第六十一引脚分别接所述第一可调电阻器U2的第一引脚、第二引脚以及第三引脚，主控芯片U1A的第三十三引脚接TEC控制器U4的引脚SHDN，主控芯片U1A的第三十六引脚、第三十四引脚以及第三十五引脚分别接所述第二可调电阻器U3的第一引脚、第二引脚以及第三引脚。
9.根据权利要求8所述的一种激光器工作温度控制电路，其特征在于，所述主控芯片U1A的型号为STM32L452RET6。
10.根据权利要求1-9任一项所述的一种激光器工作温度控制电路的控制方法，其特征在于，所述方法包括：主控芯片U1A通过设置温度反馈电路中可调电阻器的阻值，快速调节温度，同时主控芯片U1A调节配置电路的电流输出端最大输出电流和电势差；主控芯片U1A还根据监控电路反馈的输出电流方向与大小判断状态是否正常，若异常则关闭配置电路输出功能。
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CN113238594A (zh) * 2021-05-12 2021-08-10 世强先进(深圳)科技股份有限公司 一种tec温度自动控制电路及电器

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