基于单片机的激光发生器的驱动电路设计

陈 晓，贾华宇，郭 燕

（太原理工大学 新型传感器与智能控制教育部重点实验室，山西 太原030024）

引言

由于DFB激光器使用的增益介质一般是砷化镓、磷化铟、硫化锌等半导体材料，所以其受温度影响非常大，另外激光器的使用范围很多时候在室外，比如在发电站中用于监控各气体的成分比率［1］，天然气管道中的成分及泄露浓度检测和钢铁熔炼过程控制，甚至用于太空探测等。这样就造成激光器的工作环境，尤其是温度等出现波动甚至较大变化，而这种变化对激光器的工作状态，包括波长和阈值电流都有影响，导致测量结果不准确甚至激光器的损坏。因此对激光器的工作温度和功率控制就尤为重要。同时，我们在使用激光器对不同对象比如液体和气体进行测量或测试时可能会用到不同的功率和波长［2］，而且激光器受到微小电流和温度变化的影响时，将导致输出功率的波动，为了保证激光器的正常工作，需要调节阈值功率。

本文从激光器温度、功率要求和提高激光器的适用性角度出发，使用ADN8830、ADN2830等芯片实现对激光器的温度和功率的控制和调节以实现在外界温度变化大和有电流干扰时激光器温度和功率的稳定。

1 设计原理

本设计使用的单片机为STC公司的STC11F08XE，通过这个单片机对温控芯片ADN8830和功率控制芯片ADN2830的控制实现温度控制和功率控制。

2 驱动电路

整个电路包括稳压模块、温度控制模块、功率控制模块、激光器模块、显示器模块。其控制流程如图1所示。

图1 驱动电路控制流程图Fig.1 Control flow chart of driven circuit

系统的输入单元是外部的3个按键，分别是LD ON，UP和DOWN，用来控制激光器的开启及激光器功率的增大和减小。3个按键键值输入给单片机，单片机通过串行口给AD5172传输数据信号，再通过AD5172分别给ADN8830和ADN2830以控制信号，分别控制激光器的温度和功率。通过单片机控制显示屏显示相应数值，反映功率的变化。其中，激光器为DFB激光器，蝶形封装，具有14个引脚，工作波长为1 550nm，当电位器的电阻调节时，其波长受温度变化可以在1 535.17nm～1 563.24nm之间变动。

3 各模块的设计

3.1 温度控制模块

温度控制模块的主要组成部分是温控芯片ADN8830，它是一款高集成度、高输出效率、高性能的单芯片TEC控制器，其最大温漂电压低于250mV，能使目标温度误差低于±0.01℃［3］。该模块温度设定部分电路如图2所示。芯片通过其TEMPSET端口处的电压值来设定半导体热电致冷器（TEC）温度。激光二极管LD的温度［4］由一热敏电阻来测量并反馈给ADN8830，再由该芯片内部的温度放大器将设定点温度与温度敏感器敏感到的LD实际温度之间的误差量进行放大，产生误差信号。该信号经PID网络的补偿后通过PWM控制器来驱动由2个FDW2520C芯片内部的MOS管构成的H桥，控制TEC电流的方向和大小，从而稳定激光器的温度，控制激光器的波长。

图2 温度控制模块简化图Fig.2 Simplified diagram of temperature control module

ADN8830芯片的端口4即TEMPSET的电压亦即设定的目标温度所对应的电压。图中标注点D2连接的就是LD组件中自带的热敏电阻，它与R5、R6、R7组成电桥，电桥平衡时激光器达到设定温度。而R7的阻值与LD中热敏电阻不同温度下的阻值有关，根据该芯片使用手册中提供的公式可以得到R7的阻值：

式中RT1、RT2、RT3分别为激光器温度为5℃、25℃、45℃时对应的阻值。根据激光器数据手册可知其对应的阻值分别为25.4kΩ、10kΩ和4.37kΩ，于是可以得出R7为7.68kΩ。由于我们需要工作温度可调，所以在上图的端口HD1与HD2之间连接了一个电位器，通过调节它改变电桥平衡以改变激光器温度，同时也就改变了波长。在电位器的选择上要根据激光器的工作温度视具体情况而定，使用时要注意控制电流不超过范围以免影响电路系统的正常工作。在本设计中，激光器的工作温度主要集中在25℃～40℃间，表1为部分电位器电阻与激光器工作温度的对应表。

表1 电位器阻值与激光器温度对应表Table 1 Corresponding chart of potentiometer resistance and laser temperature

为了减少热损耗，提高TEC控制器的热效率，设计中采用了PWM方法进行驱动，使热效率达到80%～90%［3］。ADN8830通过负温度系数（NTC）热敏电阻检测激光器温度并将其转换为相应的电压值，与设定值进行比较，产生一个误差信号。该信号经由PWM控制器驱动H桥，控制TEC电流来稳定激光器温度，H桥可以优化输出电压波动。

ADN8830通过一个电阻分压器将热敏电阻连接到一个误差放大器上，进行温度监控，该电压与设定的目标温度所对应的电压相比较产生一个同上述两电压差成正比例的误差电压。这个电压输出被输入到补偿放大器，其外围有PID网络，能够优化TEC的响应，该PID网络如图3所示。

总的来讲，确权划界的顺利进行，必须明确水库工程管理范围，严格依据国家相关法律开展，依法办理相关土地征用手续，或以合同形式确定水库管理范围内土地的权属并取得水利工程确权划界证书。

图3 PID网络Fig.3 PID network

PID网络的控制作用会提高TEC控制器的响应速度和温度稳定性，使用该控制技术的目的是减少静态误差，提高控制精度［5］。其数学模型可以表示为

式中：U为PID调节器的输出；Kp为比例系数；T1为积分时间常数；TD为微分时间常数［6］。

TEC控制器工作原理是以帕尔帖效应为基础的［7］，当电流流过TEC时，热量由TEC的一侧传送到另一侧，表现为其一端致冷，另一端加热。如果电流的方向反向，则致冷与加热的两端也会反转。用TEC稳定温度的流程是通过调节电阻值达到电桥平衡来设定想要的温度，该温度对应的电压UT输入ADN8830，通过芯片内部的比较电路与TEC反馈的温度对应的电压信号进行比较，得到误差信号，该信号经放大后再经过PID网络的补偿和PWM控制后输送至TEC，调节激光器的温度以达到目标温度［8－10］，其流程图如图4所示。

图4 TEC控制流程图Fig.4 Flow chart of TEC control program

3.2 功率控制模块

功率控制模块主要使用ADN2830进行控制和调节，ADN2830通过改变流入激光器的电流改变激光器的功率。控制电流可以通过控制该芯片PSET端口连接的电阻RPSET的值改变，因为PSET端口的电压维持在1.23V，则根据芯片数据手册可知：

式中IAV为当前MPD的平均值。芯片通过IBIAS引脚与激光器相连监控激光器的偏置电流，跟设定值进行比较进而调控激光器功率。

为了能够实现对功率的可调就需要改变RPSET，因为需要较准确的数量控制，就需要引入比普通电位器精确，并且可由单片机直接设置电阻数值的电位器，在这里我们使用的是ADI公司的AD5172芯片，即一次性可编程数字电位器。该芯片可以精确控制阻值的变化，通过UP、DOWN两按键调节，而且能通过显示屏显示当前功率值。电位器与ADN2830的连接方式如图5所示。其SDA、SCL端口与单片机的P3.4、P3.5相连，提供控制信号，W1、W2引脚分别与 ADN2830和ADN8830的相应端口连接，输出控制信号。

图5 电位器的连接方式Fig.5 Connection of potentiometer

芯片AD5172的B1与W1和B2与W2间的阻值计算公式为

式中：D为8位二进制数代表的电阻值所对应的十进制数值；RAB为数字电位器内部电子阵列总的电阻值；RW为滑臂电阻。我们使用的数字电位器的RAB为10kΩ，则与编码对应的RWB阻值关系如表2所示。

表2 代码阻值对应表Table 2 Codes and corresponding RWBresistance

由此我们就可以通过编程控制RPSET根据我们的需要进行改变，PSET的电压随该系统的UP、DOWN两按键的键入而变化。

3.3 显示模块设计

本系统的显示模块使用了LCD1602显示屏作为数据显示器，可以显示当前功率和波长。同时还设置了3个按键分别为激光器的开关按键LD ON、功率增大按键UP和减小按键DOWN，实现对系统的数据输入。

功率的可调和显示范围为0dBm～10dBm，波长可观测值在1 535.17nm～1 563.24nm之间。

4 程序设计

本系统在接收到键值的信号之前处于复位状态，即功率为0dBm，波长为1 550nm。当LD ON按键按下时激光器开始工作，单片机产生控制信号对ADN8830和ADN2830进行控制，当检测到UP键输入时，AD5172芯片的输入数据变化，使该芯片的输出端口PSET上的电压值减小，IBIAS端口电压值也减小，增大了激光器的功率。当DOWN键按下时则正好相反，实现了手动的功率控制，程序流程图如图6所示。

图6 系统程序流程图ig.6 Flow chart of system program

5 设计测试

本设计的电路板如图7所示，图中包含了稳压模块、显示模块、温控模块、功率控制模块和激光器等。

图7 电路板实物图Fig.7 Circuit board physical map

经测试，LD ON按键按下时激光器开始工作，UP键和DOWN键可单击可连发。UP键键入时显示器显示功率值增大，此时测量AD5172芯片的W1引脚处的电压值减小，ADN2830的IBIAS引脚上的电压值同时也减小。当DOWN键键入时上述各引脚电压值变化过程相反。激光发生器在单片机设定的功率变化范围内功率与AD5172芯片PSET引脚的电压变化对应情况如图8所示，当电压在1.02V～0.46V的范围内变化时对应的功率变化为0dBm～10dBm，并且当电压值稳定时，激光器功率能够亦能稳定在设定值。

图8 PSET引脚电压变化示意图Fig.8 Schematic diagram of PSET pin voltage change

手动设置激光器功率后使用功率计对其进行测量，为方便观察，现将所有以dBm为单位的功率数据换算为mW，其部分对比数据如表3所示。

表3 功率设定值与测量值对照表Table 3 Power set value and measured values

通过功率计的测量可知，设定值与测量值之间的误差在0.05mW内，在温度控制上，当电位器的阻值固定时，激光器的波长输出稳定。改变电位器阻值时激光器波长随之变化，响应速度在2s内，并在随后保持稳定。

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