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基于AVR單片機控制的半導體激光電源

2013-12-29 00:00:00王健聰王曉曼劉樹昌劉鵬李聯(lián)光
科技資訊 2013年11期

摘 要:激光電源系統(tǒng)以ATmega16為微控制器,基本功能有:查詢、顯示、穩(wěn)光、恒溫。半導體激光器激光輸出功率受外界溫度變化的影響極其嚴重,最大缺點就是易損壞。因此制作一款半導體激光器的同時,也應設(shè)計出配套的性能可靠的激光電源。本系統(tǒng)設(shè)計精巧、使用安全、整機性能可靠,可在同類型激光器的控制及發(fā)光二極管的控制中推廣使用。

關(guān)鍵詞:激光器 單片機 電源 控制

中圖分類號:TN248.4 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2013)04(b)-0001-01

驅(qū)動電源的性能對半導體激光器起到非常大的影響,瞬時電流或者電壓突變等許多原因都可破壞激光器。電流、溫度的劇烈變化會使輸出光功率突變,影響輸出的精確、穩(wěn)定。基于單片機的智能化控制,對于解決半導體激光器工作的準確性、穩(wěn)定性和可靠性的問題起到了極大改善作用?,F(xiàn)介紹一種由單片機控制的激光器電源,該系統(tǒng)具有廣大的實際使用前景。

1 系統(tǒng)構(gòu)造

系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)見圖1。組成模塊包括:電源管理模塊,控制單元模塊、溫度控制模塊、驅(qū)動模塊等。因為半導體激光器對驅(qū)動電源的特殊要求,電源的設(shè)計需非常完善。電源部分由功率驅(qū)動路、使能電路、電流負反饋電路、取樣放大路、恒流源電路、限流保護電路等組成??刂撇糠种饕囟群凸夤β士刂?,可使半導體激光器輸出更加準確、穩(wěn)定和可靠。

2 激光電源的設(shè)計

2.1 電流源的驅(qū)動

電源自身的紋波對輸出電流影響非常大,電源電壓部分中應使用效果良好的穩(wěn)壓電路和濾波電路,確保電源電壓有很低的噪聲與干擾紋波和非常高的穩(wěn)定度,采用恒定電流源電路抑制浪涌電流。監(jiān)測單元的作用:當工作時電流突變或高壓瞬間沖擊時做出快速響應,同時將中斷請求送給單片機系統(tǒng),MCU便將輸出電流調(diào)低至零,這樣實現(xiàn)過電流保護的作用。

2.2 光功率反饋控制

設(shè)計一個閉環(huán)的反饋系統(tǒng)來確保激光器輸出光功率的穩(wěn)定性。在激光器后端面安放一個光電二極管,對輸出光功率進行采樣,首先將其轉(zhuǎn)換成監(jiān)測電流,然后通過電流與電壓的轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)成電壓信號,調(diào)節(jié)控制信號的幅值來調(diào)整輸出電流,最終達到對半導體激光器輸出光功率的恒定控制。

2.3 恒定溫度控制

半導體激光器對溫度非常敏感,溫度的升高,閥值電流提升,促使輸出光功率降低,波長變大。溫度的升高還會造成LD內(nèi)部產(chǎn)生缺陷,還可導致影響壽命。PN結(jié)溫度的上升主要原因是因為輸入的電能所產(chǎn)生的熱消耗,因此需要調(diào)控激光器的結(jié)溫,使輸出的光功率和工作波長穩(wěn)定。

利用溫度傳感器對半導體激光器的溫度值進行采樣,獲取實際溫度值,然后與鍵盤預先設(shè)定的基準溫度值比較,同時進入PID算法控制模塊,經(jīng)過算法處理,得到穩(wěn)定的溫度值,最過將穩(wěn)定的輸出數(shù)字控制量經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換,把得到的模擬信號量發(fā)送給半導體制冷器,從而達到對半導體激光器的溫度自動控制目的。

2.4 顯示界面

系統(tǒng)使用LCD12864顯示輸出頻率、輸出脈寬、輸出脈沖數(shù)。在待機時,顯示當前系統(tǒng)的頻率、脈寬、輸出脈沖數(shù)值;當系統(tǒng)處于預置狀態(tài)時,界面顯示圖標閃爍,如果此時有增加、減少鍵按下時,將增減相應的數(shù)值。

2.5 鍵盤控制

鍵盤有五個按鍵,設(shè)置為開始/停止、波形的選擇、功率設(shè)置、增加、減少??深A置功率、頻率、脈寬的值。按鍵優(yōu)先級從高至低依次為啟動/停止、波形選擇、功率設(shè)置、增加、減少。通電時,波形選擇、功率預置、增加、減少鍵有效。當增、減按鍵被連續(xù)按下時,增加、減少的速度會自動變快,使系統(tǒng)可以快速的實現(xiàn)要求功能。

2.6 硬件方案設(shè)計

系統(tǒng)主要硬件設(shè)計有光功率控制和溫度控制電路,可以更有效地解決半導體激光器工作的準確、穩(wěn)定和可靠性問題。硬件結(jié)構(gòu)如圖2。光功率和溫度采樣模擬信號經(jīng)放大后由A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,送入MCU進行運算處理,反饋控制信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后再分別送給激光器電流源電路和溫控電路,形成光功率和溫度的閉環(huán)控制。

3 結(jié)語

本文應用AVR單片機對激光電源進行智能化控制,介紹了智能控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和工作原理。應用開關(guān)電源和微控制器的解決方案,使激光電源具有智能化程度高、體積小、保護完備和使用方便等優(yōu)點,同具備與電腦或其它智能儀器通信等功能。經(jīng)過測試,系統(tǒng)性能穩(wěn)定,完全達到科研機構(gòu)對激光電源性能指標要求。

參考文獻

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