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通讯光纤中高精度光源的硬件电路设计pdf

发布时间:2019-07-03 22:16 来源:未知 编辑:admin

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  太原理工大学 硕士学位论文 通讯光纤中高精度光源的硬件电路设计 姓名:耿玉新 申请学位级别:硕士 专业:@ 指导教师:夏路易 20100101 太原理工大学硕士研究生学位论文 通讯光纤中高精度光源的硬件电路设计 摘 要 随着光纤通信技术的飞速发展,光的监测与测量显得尤为重要,因而 光纤检测设备也迅速发展起来,而光源是诸多急待开发的光纤系统测量仪 器中的常用的、重要的基础设备之一。然而市场上高精度的产品并不多且 价格很高,面对用户的大量需求,本文展开了对高精度光源的研发。本文 较为系统地分析了高精度光源的设计理论,给出了切实可行的研发设计方 案及具体硬件电路设计。 本文在查阅大量国内外技术文献的基础上,详细分析半导体激光器及 光源的工作原理,并结合光源的功能需求和当前嵌入式领域的最新技术, 在系统中引入单片机技术,从而使光源性能更加稳定,测量数据更加精确, 同时还增强了光源的功能、提高了仪器可靠性等。 本课题根据光源系统所要实现的功能,给出了多处理器系统的详细设 计。系统的主控制器采用ATMEL 公司AVR 系列的ATmega64 芯片,主要 完成人机交互、数据处理等功能;从控制器采用ADI 公司的ADuC836 芯片, 主要负责驱动半导体激光器的功率、波长的稳定输出和机箱内部环境温度 的采集等。主、从控制器之间采用串口进行通信。多处理器系统大大减轻 了CPU 的负担,增强了系统调试的方便性,从而提高了整个系统的稳定性 并为以后系统升级提供了方便。 I 太原理工大学硕士研究生学位论文 通过对半导体激光器工作原理、特性等进行细致的分析,本文所设计 的激光器驱动控制系统采用自动功率控制电路和自动温度控制电路,用它 们来共同实现半导体激光器的光功率、波长稳定输出。 本文主要完成了整个系统的硬件部分设计,详细给出了电源、激光器 驱动控制、系统前面板的硬件电路的设计,并给出了系统的软件设计流程 图。 最后,对系统进行调试,验证了系统设计的合理性,目前该仪器已试 生产。本文指出了系统在研究和开发过程中存在的一些问题,并展望了光 源控制系统的下一步发展方向和研究的重点。 关键词:光源,单片机,半导体激光器,自动功率控制,自动温度控制 II 太原理工大学硕士研究生学位论文 HARDWARE CIRCUIT DESIGN OF HIGH PRECISE LASER SOURCE IN FIBER-OPTIC COMMUNICATION ABSTRACT At present, with the development of fiber communication technology, fiber measure equipment is also in progress, which is obviously signifiable to the measurement of transferring laser. Steady laser source is one of important fundamental measure equipments in fiber system that needs to be empoldered urgently. While high precise and steady laser sources in market are little and price is very high, in face of a mass of requirements, it is necessary to research high precise product. This article is analyzed the designing theory of laser source and presented the feasible design scheme. The semiconductor laser’s and laser source’s work principle is detailedly analyzed in this paper, which is referred lots of technical literatures in this area all over the world, with the function request of the instrument and the most new technology in the embedded field, the control system based on the MCU is designed. The performance of laser source is steadier, measurable data is more precise, function and reliability is boosted up and so on. According to functions implemented by the system of laser source, the article is designed scheme of system consisted of multi-MCU.MCU ATmega64 produced by ATMEL is used as main controller, it takes charges of man-machine conversation and data processing etc.; MCU ADuC836 produced by ADI is used III 太原理工大学硕士研究生学位论文 as accessory controller, it takes charge of power and wavelength output of LD and the temperature of the machine and so on. Main controller communicates with accessory controller by series interface. Multi-MCU System relieves main controller burden, makes it easy to debug and upgrade the system, whose stability is enhanced. Through principle of work and characteristic and so on of the semiconductor laser analyzed carefully, this paper has designed the laser-driven control system. This paper is adopted automatic power control circuit and automatic temperature control circuit to realize semiconductor lasers optical power and wavelength output stably. This article has been mainly completed overall the systems hardware design, detailedly given hardware circuits design about the power section, driving control section of laser and front panel part of the system, and simply introduced flow chart of system software design. Finally, the system is debugged, which tests that the design method is rational; now, this instrument has been already tried producing. Some questions are pointed out in the process of the system’s development. The next development direction and research emphases on the control system of laser source are prospected. KEY WORDS: Laser source, MCU, LD, APC, ATC IV 太原理工大学硕士研究生学位论文 图表索引 表1-1 光源比较4 Tab.1-1 Comparison of optical source4 图2-1 半导体激光器的结构图7 Fig.2-1 The block diagram of laser diode7 图2-2 半导体激光器的典型P-I 特性曲线 Typical P-I characteristic curve of LD8 图2-3 半导体激光器的P-I 特性随温度变化的情况8 Fig.2-3 P-I curve of LD at various temperatures8 图3-1 自动功率控制原理框图14 Fig.3-1 Principle block diagram of APC 14 图3-2 自动温度控制原理框图15 Fig.3-2 Principle block diagram of ATC 15 图4-1 高精度光源功能框图18 Fig.4-1 Function block diagram of high precision optical source18 图4-2 硬件结构框图23 Fig.4-2 Block diagram of hardware system 23 图5-1 硬件设计功能框图25 Fig.5-1 Function block diagram of hardware design system 25 图5-2 线 Principle block diagram of linear power supply26 图5-3 电源滤波器电路27 Fig.5-3 Power supply filter circuit27 图5-4 桥式整流电路30 Fig.5-4 Bridge rectifier circuit30 IX 太原理工大学硕士研究生学位论文 图5-5 (a )电源整流、滤波、稳压原理图(模拟信号电源) 32 Fig.5-5 (a )Principle diagram of power supply rectifier 、filter、regulator 32 图5-5 (b )电源整流、滤波、稳压原理图(数字信号电源) 32 Fig.5-5 (b )Principle diagram of power supply rectifier 、filter、regulator 32 图5-6 ADuC836 最小系统电路图 34 Fig.5-6 The basic system circuit diagram of ADuC836 34 图5-7 半导体激光器模块 35 Fig.5-7 laser diode module 35 图5-8 (a )蝶形封装半导体激光器模块 36 Fig.5-8 (a )butterfly package of laser diode module 36 图5-8 (b )蝶形封装半导体激光器模块(结构说明) 36 Fig.5-8 (b )butterfly package of laser diode module (structure explain ) 36 图5-9 半导体激光器与其驱动控制系统连接框图 36 Fig.5-9 Connecting block diagram of laser diode & driving controller 36 图5-10 驱动控制系统方框图 37 Fig.5-10 Block diagram of drive & control system 37 图5-11 自动功率控制电路图 37 Fig.5-11 Circuit diagram of APC 37 图5-12 脉冲调制电路 39 Fig.5-12 Pulse modulation circuit 39 图5-13 MAX4624 引脚功能图 40 Fig.5-13 Pins function diagram of MAX4624 40 图5-14 上电保护电路 40 Fig.5-14 Power-on protect circuit 40 图5-15 继电器G6K-2F 原理图 41 Fig.5-15 The schematic diagram of G6K-2F relay 41 图5-16 限流保护电路原理图 41 Fig.5-16 The schematic diagram of Current-limiting protection circuit 41 X 太原理工大学硕士研究生学位论文 图5-17 开环温控系统框图42 Fig.5-17 System diagram of open-loop temperature control42 图5-18 闭环负反馈温控系统框图42 Fig.5-18 System diagram of negative feedback of closed loop temperature control42 图5-19 恒温度控制系统框图43 Fig.5-19 System diagram of constant temperature control43 图5-20 温度测量电路45 Fig.5-20 Temperature measure circuit45 图5-21 滤波电路47 Fig.5-21 Filter circuit47 图5-22 半导体制冷器电流驱动电路49 Fig.5-22 Current driving circuit of TEC49 图5-23 TLV5618A 接口电路50 Fig.5-23 TLV5618A interface circuit 50 表5-1 TLV5618A 引脚说明51 Tab.5-1 Pins description of TLV5618A51 图5-24 TLV5618A 芯片引脚图51 Fig.5-24 Pins circuit of TLV5618A51 图5-25 DS18B20 接口电路52 Fig.5-25 DS18B20 interface circuit52 图5-26 前面板原理结构图52 Fig.5-26 The principle block diagram of front panel 52 图5-27 ATmega64 最小系统电路图53 Fig.5-27 The basic system circuit diagram of ATmega64 53 图5-28 MAX811 芯片引脚图54 Fig.5-28 Pins circuit of MAX81154 图5-29 键盘接口电路55 Fig.5-29 Keyboard interface circuit 55 XI 太原理工大学硕士研究生学位论文 图5-30 编码器的输出波形 56 Fig.5-30 Output waveform of encoder 56 图5-31 旋转编码输入器接线 The schematic diagram of rotary encoder 57 图5-32 旋转编码输入器外形图 57 Fig.5-32 The shape diagram of rotary encoder 57 图5-33 旋转编码输入器内部结构图 57 Fig.5-33 Inner structure diagram of rotary encoder 57 表5-2 液晶引脚说明 58 Tab.5-2 Pins description of LCD 58 图5-34 LCD 电路结构图 59 Fig.5-34 Block Diagram of LCD 59 图5-35 液晶接线 The schematic diagram of LCD 59 图5-36 MAX232 电路原理图 60 Fig.5-36 The schematic diagram of MAX232 circuit 60 图5-37 风扇驱动电路图 60 Fig.5-37 Drive circuit of fan 60 图6-1 应用程序模块划分 63 Fig.6-1 Module division of applications program 63 图6-2 激光器驱动系统主程序流程图 64 Fig.6-2 Main program flow chart of LD drive system 64 图6-3 中断处理流程图 65 Fig.6-3 Disposal flow chart of interruption 65 图6-4 恒温控制流程图 66 Fig.6-4 Flow chart of ATC 66 图6-5 恒功率控制流程图 66 Fig.6-5 Flow chart of APC 66 XII 太原理工大学硕士研究生学位论文 图6-6 脉冲调制流程图67 Fig.6-6 Flow chart of pulse modulation 67 图6-7 前面板控制系统主程序流程图68 Fig.6-7 Main program flow chart of front panel control system68 图6-8 液晶驱动程序流程图69 Fig.6-8 Driving program flow chart of LCD69 图6-9 旋转编码输入器流程图70 Fig.6-9 Flow chart of rotary encoder70 XIII 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 1.1 研究背景 近年来,光纤通信已成为通信领域发展中的最前沿领域,在军用、民用通信中得到 广泛应用。光纤通信系统的主要组件: (1) 光缆:它是由一根或多根光纤、或光纤束制成的符合光学通信要求的线) 光源:通常为可见光或红外光。常用的光源是发光二极管(LED)和半导体激光 器。其光信号可以被调制,以使模拟信号或数字信号加至该光源的光束上。 (3) 检测器:它位于接收端,可将光信号转换为电信号。常用的检测器有PIN 光 电二极管或雪崩光电二极管。 (4) 连接口:光源到光缆的接口和光缆至检测器的接口都需要高效光学连接器, 否则连接处会产生很大的信号损失。 (5) 标准通信电路:它位于光源前部和光检测器后部[1] 。 在光纤通信中,常用的光源是发光二极管和半导体激光器,这两种光源器件在功率 等级、温度灵敏度、响应时间、使用期限、失效特性等方面均有所不同。 发光二极管成本低、驱动电路较半导体激光器简单,不需要热稳定且使用寿命很长 6 7 (10 ~10 小时),一般在传输速度要求不太高时使用。 半导体激光器是精密光电检测系统和光纤通信系统中的重要光源,其良好的精度、 准确性及稳定性是提高精密光电检测系统和光纤通信系统性能的关键,半导体激光器 (LD )除具有一般激光器的高亮度、良好方向性和单色性外,还具有体积小、功耗低、 重量轻、易集成、可靠性高等优点。因此其应用日益广泛,而且有逐步取代或部分取代 [2-3] 一般激光器的趋势 。 通过以上分析,本文采用半导体激光器作为高精度光源的被控对象。 任何科学领域的进步都依赖于对研究对象做出精确的测量,光纤技术的进步也符合 这一规律。“八五”期间,我国光纤通信技术已进入迅速发展阶段,近几年来,全国各 省、市的有线电视系统又纷纷步入光纤传输的行列。因此,光纤系统已担负起通信和广 播电视两大信息传递的任务。随着光纤通信及光纤有线电视的快速发展,对光纤系统测 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 [4-6] 量仪器的需求也急剧增加,电子测量仪器行业正面临着一个新的、广阔的市场 。 我国的光纤系统即将进入检修维护阶段,光纤传输系统的测量项目很多,需要的测 量仪器也很多。如光纤网络分别用在通信系统或光纤有线电视(FO-CATV )系统时,在 系统调试、维护过程中还需要一系列通信用测量仪器和电视测量仪器。 据预测,在领导下一代通信测试的各类测试仪器中,光测试仪器成为最具有潜力的 仪器之一。高精度光源正是诸多急待开发的光纤系统测量仪器中的常用的、重要的基础 [7] 设备 。 1.2 研究的目的及意义 高精度光源在光纤测量中必须要求发出高稳定、光功率可调的光信号。高精度光源 与光功率计配合使用可对光纤传输损耗、光纤连接损耗等参数进行测量,若配合其他仪 器设备还可测量光纤的其他参数,所以高精度光源在光纤测量中是一种多用途的重要设 备,其输出的光波由发光器件产生,用半导体激光二极管和发光二极管作发光元件时可 输出近红外光或可见光;用氦氖气体激光器作为发光元件时输出单色可见光;用卤钨灯 [8-9] 作为发光元件时输出白色光,所以可按测试工作的波长选用不同的高精度光源 。 随着微电子技术的迅速发展,特别是单片机的出现和广泛应用,引起测量控制仪表 领域的一场新技术革命,测量仪器的智能化已成为现代仪器仪表发展的主要方向[10-13] 。 针对光纤的各项测试的实际需要本文研制了高精度光源,此设计在提高测量精度的 同时大大降低了成本。 1.3 国内外研究现状 1.3.1 半导体激光器的发展现状 1962 年世界上第一个半导体激光器问世以来,半导体激光器发生了巨大的变化,极 大地推动了其他科学技术的发展,近十几年来,半导体激光器的发展更为迅速,已成为 世界上发展最快的一门激光技术[14] 。七十年代初实现了GaAlAs/GaAs 双异质结激光器 [15] 的室温连续运转,这一成果与低损耗光纤的诞生共同开创了光纤通信的新时代 。半导 体激光器从最初的低温下运转发展到室温下连续工作,由小功率型向高功率型转变,输 出功率由mW 级提高到kW 级。激光器的结构从同质结发展成单异质结、双异质结、量 子阱等270 余种形式。制作方法从扩散法发展到液相外延、气相外延、分子束外延、金 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 [16] 属有机化合物气相淀积、化学束外延以及它们的各种结合型等多种工艺 。 LD 的研究热点主要集中在的大功率,短波长,面发射,激光器与调制器单片集成 以及波长右调的LD 或LED 的单片集成等方面。近年来LD 从以“信息载体”的应用为 主已开始大规模进入“能量载体”的重要应用领域,如激光加工、激光聚变等。 半导体激光器的应用几乎覆盖了整个光电子学领域,已成为当今光电子科学的核心 技术之一。半导体激光器的优点,使其在军事领域中应用广泛,其作为一种很有潜力的 光源,已受到各国的高度重视,以美国为例,美国国防部、宇航局以及国家实验室等20 [17] 多个部门都在研制高功率半导体激光器,美国在这一领域处于世界领先地位 。 1.3.2 高精度光源的研究现状 随着各种通信技术的发展,通信测试仪表作为尖端的高技术产品直接反映了一个国 家的通信技术水平,世界通信强国都具有很强的通信测试仪表的研发和全球推广能力。 据美国Frost&Sullivan 市场研究公司的统计,目前全球通信测试仪器年销售额已达50 亿 [18] 美元。移动通信、数据传输、无线传输及光纤网络测试产品增长最为迅速 。 传输网测试领域中,光纤测试仪表出现了巨大的市场潜力和发展空间。一些有实力 的国际化大公司纷纷推出全系列的光网络测试产品,其中具有代表性的有美国 Agilent 公司。而对于光通信测试仪器最基础的设备—光源:目前,国内外多家公司在积极研发 设计,国外以美国Agilent 公司、美国AVO 公司、日本安腾公司等为代表;国内也有很 多公司,如天津德力DEVISER 公司、陕西硅谷通信公司、北京亚中仪器有限公司、深 圳朗光科技有限公司、中国电子科技集团公司第34 研究所等。 光源主要分为便携式和台式两种,通过比较可以得出:就目前情况,便携式光源的 性能指标明显不如台式源,特别是在稳定度,至少相差一个数量级;表1-1 是国内一些 [4] 公司产品的主要技术指标 。 通过对国内外产品分析,得知目前这些产品价位高、功能少、稳定性不高等,无法 满足用户需要,因此本文设计出了高精度、高稳定性的光源。根据系统所要实现的功能, 提出了组成多处理器系统的解决方案。为提高精度和稳定性,本文采用自动功率控制 (APC )和自动温度控制(ATC )电路相结合的设计方法。 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 表 1-1 光源比较 Tab.1-1 Comparison of optical source 技术指标 输出功率 短期稳定度 长期稳定度 类型 中心波长/nm 生产厂家 /dBm /dB /dB 1310±15 ≤0.1 北京亚中 便携式 -6 ≤0.5(5h) 1550±15 (15min) 1310±20 北京恒光 掌上型 -10 ±0.05(1h) ±0.15(24h) 1550±20 1310±5 ≤±0.005 ≤±0.03 深圳朗光 台式 0 1550±5 (15min) (8h) 1310±20 ≤±0.005 电子34 所 台式 ≥0 ±0.05(8h) 1550±20 (15min) 1.4 论文的研究内容 本课题主要完成了高精度台式光源的控制系统的设计,开发过程采用 ADuC836 、 ATmega64 为核心的硬件平台,配以软件平台。本文研究的重点是系统硬件电路的设计 及实现。本课题主要完成的工作如下: 1、根据产品技术指标及激光器特性,提出高精度台式光源的总体设计方案,包括 元器件的选型、硬件电路的设计、软件方案的确定等。 2 、设计高精度光源的硬件部分,详细给出系统硬件电路中各模块的设计及实现功 能,并给出了系统的详细电路,主要包括以下几个模块的设计: (1) 电源模块的设计具体分为电源滤波器电路、变压器、整流电路、滤波电路和稳 压电路的设计; (2) 激光器驱动模块的设计主要包括自动功率控制电路、自动温度控制电路、激光 器保护电路、通讯电路及测量机箱内部温度电路的设计; (3) 前面板控制模块的设计主要包括液晶显示电路、旋转编码器电路、按键接口及 通讯接口的设计。 3、给出系统的软件设计方案,介绍各模块的软件工作原理。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 、对软硬件调试中出现的各种问题进行详细的总结,并指出在系统开发过程中常 见的软硬件问题及抗干扰技术。 1.5 论文整体结构框架 论文的组织围绕研究工作展开: 第一章:介绍研究和设计的背景、目的和意义,调查并综述了现在国内外台式光源 的发展与研究现状,并介绍了本论文的主要研究内容。 第二章:介绍半导体激光器的结构、特性等。 第三章:根据半导体激光器的特性等,本章提出了半导体激光器的常用的几种驱动 方式及其优缺点,并详细给出本文采用的半导体激光器驱动方式——恒功率控制和恒温 控制。 第四章:提出高精度光源的总体设计方案。 第五章:根据系统硬件的总体设计方案的要求,给出系统硬件电路中各模块的详细 设计及其所实现的功能,并给出电路设计中应考虑的抗干扰技术。 第六章:给出系统的软件设计方案,介绍各模块的软件工作原理。 第七章:对软硬件调试中出现的各种问题进行详细的总结,并指出系统开发过程中 常见的软硬件问题及软件抗干扰技术。 第八章:总结。 1.6 本章小结 本章主要介绍了课题的选题的背景、目的和意义,以及高精度光源的国内外发展与 研究现状,在查阅大量文献的基础上分析了市场上流行的光源的优缺点,最后对本论文 要做的工作进行了介绍。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章 半导体激光器的分析 2.1 半导体激光器的结构 半导体激光器一般由两部分组成:激光二极管(LD ,Laser Diode )和光电二极管(PD , Photo-Diode )(图2-1 ),激光二极管是根据注入电流而产生激光,这就是半导体激光器 的工作原理;光电二极管是检测激光器发出激光的功率,产生检测电流,为激光器驱动 电路的设计和功率控制提供一个可利用条件。 图2-1 半导体激光器的结构图 Fig.2-1 The block diagram of laser diode 根据光电效应公式,光电流的大小与照射光的强度成正比,因此,光电二极管中电 流的大小反映激光器输出激光的强度,当输出电流增加时,输出激光功率变大;反之, [19] 输出激光功率就会变小;当输出电流恒定时,则输出激光功率不变 。 2.2 半导体激光器的特性 2.2.1 半导体激光器的P-I 特性 半导体激光器的光输出特性特性(P-I)是其输出功率P 与注入电流I 的变化关系,如 图2-2 所示。随着半导体激光器注入电流I 的增加,受激辐射量增加,其输出光功率也 增加,但不是呈线 可以看出,当驱动电流大于激光器的阈值电流时半 导体激光器LD 发出激光,这时激光物质处于粒子数反转状态,并满足振荡条件,而且 半导体激光器的工作电流在达到阈值后,增加注入电流就能明显地增大输出功率[20-24] 。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 W m / P D L f o r e w o P t u p t u O Positive direction work current I/mA 图2-2 半导体激光器的典型P-I 特性曲线 Typical P-I characteristic curve of LD 2.2.2 半导体激光器的温度特性 [24] 半导体激光器是对温度敏感的器件,其输出光功率随温度的变化而变化 。图2-3 为半导体激光器的功率随温度变化的情况。 W m / P D L T=40 ℃ f o r e T=60 ℃ w o P t u p T=20 ℃ t u O Positive direction work current I/mA 图2-3 半导体激光器的P-I 特性随温度变化的情况 Fig.2-3 P-I curve of LD at various temperatures 从图2-3 可以看出,半导体激光器的阈值电流、输出光功率都受环境温度T 的影响。 阈值电流Ith 随温度的增高而增大,两者的关系可用下式表示: T / T I I e 0 (2-1 ) th 0 式中,T :特征温度,表示半导体激光器对温度敏感的程度。I :室温下的阈值电流。 0 0 随温度的升高,器件的阈值电流增大,且输出光的峰值波长会向长波长方向漂移。 半导体激光器是高效率的电子-光子转换器件,但存在各种非辐射复合损耗、自由 载流子吸收等损耗机制,使其外微分量子效率只能达到20 %~30 %,意味着相当一部分 注入的电能量转化为热量,引起半导体激光器温度升高。温度对半导体激光器的影响: 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 (1) 对阈值电流的影响:温度的升高将引起阈值电流的增大,使输出功率下降,给 控制器驱动部分的设计带来困难。 (2) 对V-I 关系的影响:当注入电流相等时,温度高的半导体激光器对应的正向压 降大,给半导体激光器恒流源的设计带来困难。 (3) 对输出波长的影响:有源层材料的禁带宽度随温度升高而变窄,使激射波长向 长波方向移动,即红移现象。红移量与器件的结构和有源区材料有关,约为 0.2 ~ 0.3nm/℃。因此,采用温度控制来微调激光的峰值波长,以满足对波长要求严格的场合。 (4) 对P-I 曲线非线性的影响:理想情况下,半导体激光器的P-I 是线性曲线,PN 结过热是产生非线性的原因之一。除此之外,来自于有源区中横(侧)模的不稳定性, 来自外部的反射光及与光强有关的饱和等因素也能造成非线性。其中模式的不稳定性是 出现P-I 曲线扭折的主要原因,这种不稳定性除了与激光器本身的结构有关外,还与温 度有很大关系。 温度升高还会增加内部缺损,严重影响器件的寿命,给应用带来很大困难。如果不 将所产生的热量移去,将造成一种恶性循环,使半导体激光器很快失效。试验表明,温 度每增加25 ℃,器件的寿命减少一半,即使工作电流在数十毫安的半导体激光器,它却 2A/cm 左右的光电流密度。所以工作温度对于激光器十分重要,必须给半导体 承受了10 激光器提供恒定且能够精密调整的工作温度,才能保证激光器具有最大的效率和最小的 功率波动[25-30] 。 2.3 半导体激光器的使用要求及保护 2.3.1 半导体激光器的使用要求 正常条件使用下,半导体激光器有很长的工作寿命;但也很容易被损坏,即在不适 当的工作条件下,会造成性能的急剧下降乃至失效。 静电场内场强超过某一限定值时,LD 会发生 PN 结静电损伤或击穿。工作环境的 湿度也很重要,过于干燥的环境易造成静电的产生与积累。 统计表明,半导体激光器失效,一半以上是由于浪涌击穿造成的。浪涌,是一种突 发性瞬态电压或电流脉冲,其脉冲宽度可以短到纳秒数量级,瞬时幅值可达几万伏或几 百安培。 浪涌产生的原因是多方面的,常见的有: 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 半导体激光器的驱动电源在上电过程中,会在电路中形成一个过渡过程,即在开启 时,驱动电流出现幅度很大的过冲,随后经过过渡过程才趋于稳定。这种驱动电流的过 冲易使PN 结遭受电击穿,使解理面遭受损坏。 半导体激光器驱动电路与激光器相联的过大,则在关断电源时,电容的放电可引起 半导体激光器产生过大的电流,使其PN 结发生击穿,解理面损坏。 控制电路的偶然失效也会导致半导体激光器的损坏,如使用电位器调节半导体激光 器驱动电流和输出功率时,电位器滑动触点在滑动过程中出现机械或尘屑引起的接触不 [31-35] 良,则会导致浪涌,危害激光器 。 2.3.2 半导体激光器的保护措施 根据中国科学院半导体研究所的初步统计,目前国内LD 损坏的原因主要是腔面污 染和浪涌击穿。腔面污染可通过环境净化解决;半导体激光二极管使用时的浪涌包括: 静电击穿、正向浪涌击穿和正方向直流破坏,下面针对这几类分别提出保护措施[36-38] 。 在场强超过某一限定值的静电场内LD 会发生PN 结静电损伤或击穿。因此高可靠 LD 需按照例行试验规范经过150V 以上静电场的例行考核。人体是储藏静电荷的容器, 相当于容量为200pF 的电容器。依人和环境条件的不同,人体上的静电电压可能达几千 乃至上万伏。因此,从事LD 的工作者应穿戴防静电的工作服。若要触及LD 的管脚, 应在手腕上戴专门的接地环手镯。 半导体激光器慢启动短路保护开关可有效地消除电源开或关时产生的浪涌冲击,但 不能完全解决激光器驱动电流的瞬间突变,为此可在电路中加入积分环节,使其驱动电 流缓慢地达到设定值,并由单片机实现激光器的软启动。 半导体激光器的寿命与流过它的电流大小有关,若电流超过其最大允许的电流值, 会被击穿,造成永久性损坏,为此应设计限流模块,确保LD 工作在极限电流范围内。 降额使用是为提高器件的使用可靠性和延长器件的使用寿命,应降低施加在器件上 的应力,使实际使用应力低于其规定的额定值应力。 [39] 根据半导体激光器自身的特点,对半导体激光器驱动电源的要求是 : (1) 半导体激光器是依靠载流子直接注入而工作的,注入电流的稳定性对半导体激 光器的输出有直接影响。因此,要求半导体激光器的电源是一个恒流源,且具有很高的 电流稳定度和很小的纹波系数,否则激光器的工作状态将会受到影响。 (2) 半导体激光器对于电冲击的承受能力很差。因此,半导体激光器的电源必须要 10 太原理工大学硕士研究生学位论文 具有特殊的抗电冲击措施和保护电路。驱动电路的过驱动也需防护,通常采用限流电路 将电源电流限制在LD 的最大额定电流内,即使在调制期间,限流电路也可以防止过驱 动。 (3) 体积小,耗电量小,安全性好。 2.4 本章小结 通过以上分析得出被控对象—半导体激光器参数设计指标主要包括阈值电流、最大 工作电流、温度,根据客户的需求选择不同激光器,选定激光器后根据其阈值电流、最 大工作电流来调节恒功率控制电路中电位器阻值大小。 本章在分析半导体激光器的结构、P-I 特性、温度特性、使用要求及保护措施基础 上,得出半导体激光器具有易于控制的基本特性,正是根据这些特性,用单片机去控制 半导体激光器得以实现,最终使得半导体激光器功率稳定、准确的输出。 11 太原理工大学硕士研究生学位论文 第三章 高精度光源控制系统的研究 3.1 半导体激光器稳恒控制 根据前面章节的分析研究,对半导体激光器进行控制,常采用自动控制的方法,其 包括自动电流控制(ACC)、自动功率控制(APC)、自动温度控制(ATC)、电压恒定控制 (AVC)。 自动电流控制(ACC)是对半导体激光器的注入电流进行稳恒控制的一种控制方式。 即通过电流反馈控制回路,来获得最低的电流偏差。当要求驱动电流稳定时,常采用 ACC 工作模式。 自动功率控制(APC)是对半导体激光器的输出光功率进行稳恒控制的一种控制方 式。即当LD 工作时, PD 将接收的部分光功率转化为监测电流,该电流与PD 接收到 的光功率成正比。监测电流经过电流/电压转换后,通过反馈网络与设定值进行比较, 形成闭环负反馈控制。 自动温度控制(ATC)是在对半导体激光器进行控制时保证其温度恒定不变。 电压恒定控制(AVC)是在对半导体激光器进行控制时保证其驱动电压恒定不变。 通过上述分析可以看出,ACC 、APC 方式适用于带有温度调节的半导体激光器,配 合ATC 控制方式,会产生很好的效果。一般情况下,激光器的光电转换效率随着使用 时间的增长而降低,以此APC 控制精度优于ACC 。当要求LD 的驱动电压恒定时,采 [40-42] 用AVC 模式 。 鉴于以上分析本文采用APC 和ATC 控制方式相结合驱动半导体激光器。 3.2 半导体激光器自动功率控制(APC )原理 为方便功率的控制,通常半导体激光器内部将半导体激光器与光电二极管集成在一 起,装在同一管芯内。PD 感应的光电流很小(一般为几百微安),因此,对光电流检测 器的灵敏度和精度要求很高。检测器的输出信号反馈回单片机系统并通过输入端控制电 [43] 流驱动模块调整输出光功率,一般将驱动模块与功率控制模块统一考虑 。 自动功率控制原理框图如3-1 所示。 13 太原理工大学硕士研究生学位论文 光电转换及前置 LD PD 信号处理电路 放大电路 受控恒流源 D/A转换电路 A/D采集电路 图3-1 自动功率控制原理框图 Fig.3-1 Principle block diagram of APC 采用背向光反馈自动偏置控制方式,即用半导体激光器组件中的光电二极管检测激 光器背向输出光功率。因为背向输出光功率能跟踪前向输出光功率的变化,通过闭环控 制系统就可以调节激光器的工作电流,达到输出稳定光功率的目的。检测光电二极管的 输出光电流,然后经过光电转换及前置放大电路,主放大电路以及滤波电路,A/D 转换 以后进入单片机系统,通过ADuC836 单片机处理以后通过D/A 转换电路反馈回恒流源 电路,控制恒流值的大小,从而控制半导体激光器的光功率,达到稳定光功率的目的。 正常状态下,半导体激光器工作在设定点,流过其驱动电流I 与其输出光功率处于 稳定的状态。当LD 因某种原因功率增大时,耦合至PD 的光电流也按比例增大;当LD 光功率降低时,PD 的光电流相应减小。监测PD 输出光电流的变化控制LD 的注入电流, 当输出光电流减小时,通过单片机控制增大LD 的注入电流,以保证输出功率的稳定; 反之,若输出光电流增大时,则降低LD 的注入电流。 自动功率控制是以稳定输出功率为目的,以输出光功率作为反馈信号,控制驱动电 流源,以消除温度和浪涌等因素造成的输出功率的不稳定。 入射光强Pin 与光电流Im 的关系如公式(3-1)所示[41,44] : I RP (3-1) m in 式中R :光电二极管的响应度,可由所使用的半导体激光器组件参数求得。 3.3 半导体激光器自动温度控制(ATC )原理 温度是LD 性能恶化、寿命减少的主要因素,温度升高使输出功率下降,并且影响 波长的稳定性[45] 。目前已经提出了很多种半导体激光器温控电路,采用模拟技术和数字 技术[46-47] ,但高精度温度控制并不是一件容易实现的事情。本文在软件上采用 PID [48] (Proportion,Integrator,Differentiator )控制技术 及模糊控制作为核心,以减少静态误差、 14 太原理工大学硕士研究生学位论文 提高控制精度。 自动温度控制(ATC )电路系统原理框图如图3-2 所示。 温度-电压转 LD 热敏电阻 A/D采集处理系统 换电路 半导体制冷器 TEC驱动电路 D/A转换电路 图3-2 自动温度控制原理框图 Fig.3-2 Principle block diagram of ATC 自动温度控制(ATC )系统包括:采样部分、转换部分、单片机系统部分和制冷控 [49] 制部分 。半导体激光器工作时,随时间的推移其温度会逐渐升高,测温传感器将温度 变化的信号转换成电阻信号,由温度—电压转换电路(T/V )将信号转换为电压信号以 便后续处理,仪表运算放大电路是将电压信号进行高精度放大以利于A/D 转换,由于本 文所选的单片机自带A/D 转换器,可直接将代表温度的信号从A/D 转换模拟通道输入 到单片机系统,单片机系统经过 PID 算法处理后由输出端口输出数字控制信号到 D/A 转换电路,经过D/A 转换的模拟控制信号就可以控制半导体制冷器的驱动电路,达到控 制半导体制冷器的电流及制冷功率,从而保证半导体激光器温度恒定。 温度传感器采用负温度系数热敏电阻,其工作原理是将温度的变化转化为自身电阻 的变化。因此,测温的精度取决于这个电阻值的变化转换为电压变化过程的精度。将电 阻值的变化转换为电压的变化常采用电桥方法,并用仪表运算放大电路保证信号转换和 传输。控制程序采用PID 控制算法控制帕耳帖的电流,来控制帕耳帖的制冷量,实现半 导体激光器的恒温度控制。自动温度控制电路通过改变半导体制冷器上的电流大小和方 向,对半导体激光器进行加热或制冷,来控制其温度,使功率稳定输出。当半导体激光 器温度升高时,制冷器制冷,其温度下降;当半导体激光器温度降低时,制冷器加热, [4] 其温度上升 。 3.4 本章小结 本章主要介绍了半导体激光器的四种驱动方式及各种方式的优缺点;并详细给出了 本课题所采用的自动功率控制、自动温度控制的工作原理。自动功率控制是采用光电二 15 太原理工大学硕士研究生学位论文 极管的输出电流,处理后与设定值比较来调整激光器的工作电流,从而实现激光器功率 闭环控制。自动温度控制是通过热敏电阻采集激光器的温度,将得到的温度值与设定值 进行比较,从而控制TEC 驱动电路中电流的流向及大小。 16 太原理工大学硕士研究生学位论文 第四章 高精度光源总体设计方案 4.1 高精度光源的基本工作原理与基本功能 4.1.1 高精度光源的基本工作原理 高精度光源是以微控制器为核心的光纤测试仪表,其被控对象是半导体激光器。用 户根据需求通过功能键设定功率大小、电流大小、调制频率、内调制或外调制等。半导 体激光器根据用户的设定输出稳定的功率。 4.1.2 控制系统技术指标与设计要求 工作电压:220V交流电压; 波长:根据用户选择; 波长精度:根据用户选择; 最大输出功率:根据用户选择; 输出光功率稳定性(开机15分钟后):±0.004dB ; 核心温度特性(开机15分钟后):±0.01 ℃; 激光器温度:用户根据需要调节,一般设置25 ℃,可调节范围0~40 ℃; 光纤输出连接器:根据用户选择; 光纤类型:根据用户选择; 液晶显示:分辨率为192×64的单色的图形点阵液晶; 操作方式:通过功能键或上位机PC控制; 操作语言:中文/英文; 4.1.3 高精度光源的主要功能 根据用户需求和半导体激光器特性的分析,设计出高精度光源的功能框图如图 4-1 所示。 17 太原理工大学硕士研究生学位论文 温度传感器模块(机箱内部) 从控制模块 (激光器驱动 控制芯片) 激光器恒功率、恒温度控制模块 电 源 模 串口通信 块 主控模块 液晶显示、按键、旋转编码器 RS232通信 PC机 风扇 图4-1 高精度光源功能框图 Fig.4-1 Function block diagram of high precision optical source 高精度光源控制系统实现的主要功能如下: 1、主控模块:主控模块负责协调各模块的工作,并处理各种输入输出信息。主控 模块负责用户设定数据的处理,将用户设定信息通过串口通信传送给从控制器,最后控 制激光器运行;接收从控制模块传递来的机箱内部温度值大小控制风扇的启停,在温度 高过最大设定值控制激光器停止工作并在液晶屏上提示用户温度过高,建议用户停止使 用或降低环境温度。 2 、人机交互模块:包括LCD 、按键、旋转编码器,实现基本控制输入及状态的输 出显示。显示界面有中、英文选择,可方便不同用户需求;旋转编码器和液晶配合使用 使显示、操作简单易懂、设计人性化。 3、 PC机控制:计算机通过串口与高精度光源之间进行通讯,以实现计算机对光源 的控制和其运行过程中的实时监控功能。 4 、从控制模块:从控制模块负责协调各模块的工作,并处理各种输入输出信息。 从控制模块通过串口通信接收主控模块传送来的数据控制激光器电流、温度,并采集机 箱内部温度通过串口通信传送给主模块。 5、 自动功率控制:对半导体激光器的输出光功率进行稳恒控制的一种方式。 6、 自动温度控制:对半导体激光器进行控制时保证其温度恒定不变,使激光器输 出功率更加稳定可靠。 18 太原理工大学硕士研究生学位论文 4.2 系统的硬件设计方案 4.2.1 主从控制器的选择 在高精度光源控制系统中常用的主控制器是8 位微控制器,其具有价格低廉、容易 实现等优点,功能、运算速度、片内资源、易于扩展等也能满足设计需要。 根据设计指标要求,主控制器采用 8 位AVR 微控制器,利用其芯片强大的功能和 丰富的外部接口资源,使得系统设计简单。AVR 处理器是精简指令集计算机,其设计实 现了外型小但性能高的结构。它简单的结构使得其内核较小,功耗低。 本文设计的高精度光源前面板强调人机交互功能,需要 LCD 控制器、两个串口、 EEPROM 等,ATmega64 完全满足于系统的要求和以后功能的扩展。 根据高精度光源激光器控制部分需一个串口、EEPROM 、高精度的A/D 转换及D/A 转换等,从控制器采用8 位的ADI 公司生产的ADuC836 ,其内部集成了高分辨率的A/D 转换器,是目前片内资源最丰富的单片机之一。它将8051 内核、16 位Σ-? A/D 、12 位 2 D/A 、FLASH 、WDT 、SPI 和I C 总线接口等丰富资源集成于一体,体积小、功耗低、 非常适合于智能仪表、智能传感器、变送器等领域。 4.2.2 主控制器ATmega64 AVR 来源于:1997 年,由ATMEL 公司挪威设计中心研发出的RISC 精简指令集的 高速8 位单片机,简称AVR 。 每种MCU 都有自身的优点与缺点,与其它8-bit MCU 相比,AVR 8-bit MCU 最大 [50] 的特点是 : 哈佛结构,具备1MIPS / MHz 的高速运行处理能力;程序存储器和数据存储 器是分开的,可以直接访问程序存储器和数据存储器; 超功能精简指令集(RISC ),具有32 个通用工作寄存器,克服了如8051 MCU 采用单一ACC 进行处理造成的瓶颈现象; 快速的存取寄存器组、单周期指令系统,大大优化了目标代码的大小、执行 效率,部分型号FLASH 非常大,特别适用于使用高级语言进行开发; 作输出时与PIC 的HI/LOW 相同,可输出40mA (单一输出),作输入时可设 置为三态高阻抗输入或带上拉电阻输入,具备 10mA~20mA 灌电流的能力; 片内集成多种频率的RC 振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等功能, 19 太原理工大学硕士研究生学位论文 外围电路更加简单,系统更加稳定可靠; 大部分AVR 片上资源丰富:带EEPROM ,PWM ,RTC ,SPI,UART 等; 大部分AVR 有ISP 功能外,还有IAP 功能,方便升级。 性价比高。AVR 单片机中既有引脚少的器件(8 脚),也有存储容量较大、引 脚较多的器件,给用户以充分的选择余地。 AVR 单

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