半導(dǎo)體激光器特性及總體方案的設(shè)計

1、摘 要近幾年光電子技術(shù)發(fā)展的速度非常快，由于半導(dǎo)體激光器具有轉(zhuǎn)換效率高、體積小、可靠性較強、重量輕，能直接調(diào)制等好的特性，使它在工業(yè)中的生產(chǎn)、高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)及科學(xué)研究的各個領(lǐng)域，得到了各個國家廣泛的重視。本文主要面向組裝后的激光二極管組件，設(shè)計了一種由AT89C51單片機控制的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電源控制系統(tǒng)。設(shè)計中采用了一種典型的自動電流控制（ACC）方式來驅(qū)動半導(dǎo)體激光器。這里ACC控制指的是電流采樣反饋，這樣就會使電流偏移最小，LD的穩(wěn)定性最高。而溫度控制是系統(tǒng)設(shè)計中不可缺少的環(huán)節(jié)，在設(shè)計中采用了PI比例-積分調(diào)節(jié)器以及功率放大環(huán)節(jié)，從而會使系統(tǒng)的輸出穩(wěn)定。在半導(dǎo)體制冷器的作用下，LD會預(yù)定在

2、一種恒溫的環(huán)境下。而單片機AT89C51的數(shù)字控制單元實現(xiàn)了對半導(dǎo)體激光器主要參數(shù)的采集以及處理，硬件電路由此會得到很好地控制。本次設(shè)計實現(xiàn)了溫度在10-50 ，電源的輸出為0-200mA，半導(dǎo)體激光器能夠穩(wěn)定的輸出的功能。關(guān)鍵詞 AT89C51 半導(dǎo)體激光器 電流控制 溫度控制AbstractWith the rapid development of optical electronics, the techniques of semiconductor laser diode had been applied widely in many fields such as industry,

3、high tech and science research. Semiconductor laser diode has the excellent character of high efficiency, small size, low weight, high reliability, direct modulation, but semiconductor laser diode is a kind of device with high power density and sky-high quantum efficiency. Even weak drive current an

4、d temperature change will lead to its large change of output light power and device parameters, which directly damages the safe use of laser diode. At the same time, semiconductor laser diode is very sensitive to the temperature. The fluctuation of surrounding temperature not only leads to the fluct

5、uation of supply current, but also makes threshold current, quantum efficiency, output wavelength and output light intensity of the laser diode change greatly. This paper faces to primarily laser diode modules that after assembling and introduces a diode laser output power system which is controlled

6、 by microprocessor. The text adopes an antomatic current control way(ACC) to drive the semiconductor laser diode. The automatic current control means passing the adopted current feedback to minimum the current drift and let the semiconductor laser diode output stability biggest. The temperature cont

7、rol is an important link and this text designs comparison calculus modulator, passing the cold machine in semiconductor system, to make the LD working under the constant temperature. The numeral cell which is controlled by singlechip collects the LD main parameter and take the hardware electric circ

8、uit into the control. To improve the system stability and protect the semiconductor laser diode not to damage which is caused by wave flowing out the impact, the design adopts sufficient anti-interference measure and LD protecting measrue. Key words AT89C51 laser diode current control temperature co

9、ntrol目 錄摘 要IAbstractII第1章 緒 論11.1 設(shè)計的目的和意義11.2 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀11.3 設(shè)計的主要內(nèi)容31.4 設(shè)計的主要要求及技術(shù)指標(biāo)31.4.1 LD驅(qū)動電源的設(shè)計要求31.4.2 LD驅(qū)動電源的設(shè)計指標(biāo)4第2章 半導(dǎo)體激光器特性及總體方案的設(shè)計52.1 半導(dǎo)體激光器的工作原理52.2 半導(dǎo)體激光器的特性62.2.1 半導(dǎo)體激光器的V-I和P-I特性62.2.2 半導(dǎo)體激光器的溫度特性72.2.3 半導(dǎo)體激光器的調(diào)制特性92.3 LD驅(qū)動電源的設(shè)計方案92.3.1 方案的提出92.3.2方案的選擇112.3.3 方案的介紹11第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計133.1

10、系統(tǒng)恒流源的設(shè)計133.1.1 驅(qū)動原理133.1.2 LD驅(qū)動電路設(shè)計133.1.3 功率放大電路設(shè)計143.1.4 保護電路的設(shè)計153.1.5 半導(dǎo)體激光器的保護措施163.2 恒流驅(qū)動硬件電路設(shè)計173.2.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD574173.2.2 采樣/保持器LF398173.2.3 多路切換開關(guān)CD4051183.2.4 89C51和AD574及前置電路接口193.2.5 LCD顯示模塊203.3 恒溫模塊的設(shè)計213.3.1 半導(dǎo)體制冷器的工作原理223.3.2 比例積分調(diào)節(jié)電路233.3.3 功率放大電路的設(shè)計253.3.4 熱敏電阻線性化263.4 輔助電路設(shè)計283.4.1

11、溫度設(shè)定電路283.4.2 限幅電路設(shè)計28第4章 軟件設(shè)計304.1 主程序設(shè)計304.2 鍵盤輸入程序設(shè)計314.3 A/D轉(zhuǎn)換子程序設(shè)計314.4 報警子程序設(shè)計33結(jié)論34致 謝35參考文獻(xiàn)36CONTENTSAbstractIAbstractIIChapter 1 Introduction11.1 The meaning of design and the background11.2 The meaning of design and the background11.3 The main content of the design31.4 Design of the main r

12、equirements and technical indicators31.4.1 LD drive power supply design requirements31.4.2 LD driver power supply design parameters4Chapter 2 Semiconductor laser characteristics and overall scheme design52.1 The working principle of semiconductor laser52.2 The characteristics of semiconductor laser6

13、2.2.1 Semiconductor laser V - I and P - I characteristics62.2.2 Temperature characteristic of semiconductor laser72.2.3 The modulation characteristics of semiconductor laser92.3 Design of power supply for LD driver92.3.1 The scheme of proposed92.3.2 The choice of scheme112.3.3 The introduction of so

14、lution11Chapter 3 The system hardware design133.1 System of constant current source design133.1.1 Drive principle133.1.2 The design of the LD driver circuit133.1.3 The design of power amplifier circuit143.1.4 The design of the protection circuit153.1.5 Semiconductor laser protective measures163.2 Co

15、nstant current drive hardware circuit design173.2.1 AD converter 574173.2.2 Sampling/retainer LF398173.2.3 Multi-channel switch CD4051183.2.4 AT89C51 and AD574 and front interface circuit193.2.5 The LCD display module203.3 The design of the constant temperature213.3.1 The working principle of semico

16、nductor refrigerator223.3.2 PI regulation circuit233.3.3 The design of the power amplifier circuit253.3.4 Thermistor linear263.4 The auxiliary circuit design283.4.1 Temperature setting circuit283.4.2 Limiting circuit design28Chapter 4 The software design304.1 The main program design304.2 Keyboard in

17、put program design314.3 A/D conversion subroutine design314.4 Alarm subroutine design33conclusion34Ackonwledgements35Appendix36第1章 緒 論1.1 設(shè)計的目的和意義信息技術(shù)已成為當(dāng)今全球性的戰(zhàn)略技術(shù)。以光電子和微電子為基礎(chǔ)所支持的通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已成為高技術(shù)的核心，正在深刻影響著國民經(jīng)濟、國防建設(shè)的各個領(lǐng)域。其中，半導(dǎo)體激光器（LD）在當(dāng)今世界中扮演著不可或缺的角色。半導(dǎo)體激光器（LD）一種激光器，但是它的工作材料是一種半導(dǎo)體材料。它在光纖通信中充當(dāng)著一種重要的光源。在

18、當(dāng)今電子學(xué)領(lǐng)域中，半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用已經(jīng)是十分的廣泛1。半導(dǎo)體激光器的體積小，輸入的能量低，使用壽命較長，比較容易調(diào)制及其價格低等優(yōu)點，讓它在軍事上得到了一些廣泛的應(yīng)用。例如雷達(dá),測距，致盲，告警，瞄準(zhǔn)等等，在光電子領(lǐng)域中成為新生代的重要力量。于此同時，半導(dǎo)體激光器在工業(yè)生產(chǎn)上，生活應(yīng)用上，電子科學(xué)上都發(fā)揮著重要的作用?，F(xiàn)在半導(dǎo)體激光器在通信，光譜，光學(xué)數(shù)據(jù)存儲等尖端領(lǐng)域中發(fā)揮著重要的作用。如果要使半導(dǎo)體激光器在工作中能夠安全穩(wěn)定，對半導(dǎo)體激光器的溫度以及電流的輸出是有很大的要求的。在前幾年的開發(fā)半導(dǎo)體的過程中，因為對溫度的控制以供電的控制把握的不好，導(dǎo)致期間損壞的非常多。因此在現(xiàn)今的半導(dǎo)體激

19、光器應(yīng)用中，對溫度以及電流的輸入要求都是十分必要的。 1.2 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀為滿足半導(dǎo)體激光器對工作環(huán)境的較高要求，世界各研發(fā)機構(gòu)都在為提高半導(dǎo)體激光器驅(qū)動性能的道路上不懈努力，歐美等發(fā)達(dá)國家在該領(lǐng)域投入大量人力物力，取得了豐碩的成果。美國ILX Lightwave公司是半導(dǎo)體激光器驅(qū)動方案的領(lǐng)先者，它的產(chǎn)品功能很全面ILX Lightwave公司提供了一系列的激光器驅(qū)動器、溫度控制器和夾具裝置，用于研究、生產(chǎn)和測試中的激光器精密控制，這些儀器因其可靠性、精確性和簡單易用而聞名。該公司生產(chǎn)的臺式激光驅(qū)動器的穩(wěn)定性很高、噪音很低，能夠提供從100mA到6A的連續(xù)可調(diào)或脈沖驅(qū)動電流，可有效地保證

20、激光器穩(wěn)定的波長輸出。其中，ILX系列有4通道、8通道和16通道的多通道驅(qū)動器可供用戶選擇，可同時對多個激光器進(jìn)行精密控制。該公司生產(chǎn)的LDC-3700C系列半導(dǎo)體激光控制器如圖1-5所示，它是一款高性能、基于微處理器的工業(yè)級設(shè)備，專為控制半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動電流和溫度而設(shè)計，是同類產(chǎn)品中的佼佼者;該款半導(dǎo)體激光驅(qū)動器以其出色的可靠性、準(zhǔn)確性、操作簡易性為業(yè)內(nèi)廣為接受;它的驅(qū)動范圍覆蓋面很大，可滿足中、小功率激光器的應(yīng)用要求。其中，LDC-3714C和LDC-3724C兩款設(shè)備能夠提供雙電流量程的驅(qū)動，最大電流分別為100mA和5OOmA，能夠維持量級的穩(wěn)定輸出。對于大功率的半導(dǎo)體激光器，LDC

21、-3744C可提供2/4A的雙電流供電。同時，這三款型號都集成有32W的溫度控制器，溫度的穩(wěn)定性達(dá)0.004 0C;它們的驅(qū)動電流源電路和溫度控制電路的供電是相互獨立的，可為半導(dǎo)體激光器提供保護，保證輸出的穩(wěn)定性。此外，所有的ILX Lightwave設(shè)備都為半導(dǎo)體激光器提供了開機慢啟動、過流過壓限制、靜電防護等保護措施2。 在國內(nèi)，半導(dǎo)體激光器的發(fā)展緊隨著國外的腳步，也得到了很快的發(fā)展。其中主要的研究單位包括中科院半導(dǎo)體所、清華大學(xué)和弦電子科技大學(xué)等等。中科院半導(dǎo)體所采用光纖捆綁耦合技術(shù)來進(jìn)行激光的整合。其基本的原理是利用光纖柱透鏡來進(jìn)行快軸的壓縮，然后進(jìn)入光纖排，緊接著把輸出的光纖捆成一束

22、。利用這種方法可以實現(xiàn)LD輸出光束的對稱，并且在輸出截面上的強度能夠均勻下來，使其在傳輸?shù)倪^程中對于的光能的損失最小，但是它有個缺點就是亮度不是很高，輸出的光纖不細(xì)。相對中科院半導(dǎo)體所清華大學(xué)采用的是微柱透鏡快軸方法。首先通過兩套錯位緊密相連的棱鏡來對光束進(jìn)行整合。它的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，整形的效率比較高。在最近幾年 ，高功率、大功率的半導(dǎo)體激光器的發(fā)展速度是非常快的例如北京普林光電公司在單個單元器件的光纖耦合方面的研究，北京工業(yè)大學(xué)對半導(dǎo)體激光器的研究已經(jīng)達(dá)到了爐火純青的地步，武漢凌志公司對于半導(dǎo)體激光器的研究與發(fā)展扮演著一個不可或缺的角色。這些公司以及大學(xué)或者研究所快速的促進(jìn)著半導(dǎo)體激光器件的國

23、產(chǎn)化，實現(xiàn)了對半導(dǎo)體激光器的發(fā)展，發(fā)揮著重要的作用，為我國的科技進(jìn)步提供了堅強的保障。1.3 設(shè)計的主要內(nèi)容 本次畢業(yè)設(shè)計的主要任務(wù)是設(shè)計出一種結(jié)構(gòu)簡單、成 本低的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電源，此電源的輸出為0-200mA電流且穩(wěn)定、可調(diào)節(jié)，使得半導(dǎo)體激光器的輸出功率穩(wěn)定；對半導(dǎo)體激光器的工作溫度進(jìn)行控制使之保持在指定的范圍內(nèi)。主要內(nèi)容如下：1. 半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動電路的設(shè)計。根據(jù)半導(dǎo)體激光器的特性要求控制激光器的電流輸出，并考慮激光器的保護措施。2. 半導(dǎo)體激光器的溫度控制電路的設(shè)計。利用半導(dǎo)體激光器組件內(nèi)部的半導(dǎo)體制冷器對激光器進(jìn)行溫度控制。3. 數(shù)字控制電路設(shè)計。利用單片機對半導(dǎo)體激光器的各個特

24、性參數(shù)進(jìn)行采集、處理。1.4 設(shè)計的主要要求及技術(shù)指標(biāo)1.4.1 LD驅(qū)動電源的設(shè)計要求半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電源的設(shè)計，需要滿足對電流、溫度、安全性等方面的要求。1. 對輸入電流的要求半導(dǎo)體激光器的工作原理是依賴于載流子的注入，注入電流的穩(wěn)定性越高半導(dǎo)體激光器的輸出也就越穩(wěn)定?；谶@種特性，對驅(qū)動半導(dǎo)體激光器的電源的要求必須是一個恒流源，而且這個恒流源輸出的電流的穩(wěn)定度是非常高，其紋波系數(shù)是非常小的，否則半導(dǎo)體激光器的工作狀態(tài)就會受到影響3。2. 對溫度的要求半導(dǎo)體激光器由于在工作的時候會產(chǎn)生出大量的熱量，此時半導(dǎo)體激光器件的溫度會有所升高將使得激光二極管輸出波長發(fā)生漂移。因此，激光器的散熱是重要

25、的，為了保證器件性能的穩(wěn)定及壽命，應(yīng)將半導(dǎo)體激光器件工作溫度控制在一定的范圍內(nèi)。3. 對LD安全性的要求 半導(dǎo)體激光器對于電流沖擊的承受力是非常差的，特別是對于一些大功率的半導(dǎo)體激光器，可能是因為日光燈在開關(guān)電網(wǎng)時產(chǎn)生干擾導(dǎo)致其損壞也可能是由于手觸摸到它產(chǎn)生靜電導(dǎo)致其受損4。因此，對半導(dǎo)體激光器的電源要求必須含有抵抗電流沖擊的環(huán)節(jié)。1.4.2 LD驅(qū)動電源的設(shè)計指標(biāo)根據(jù)LD驅(qū)動電源的設(shè)計要求本驅(qū)動電源的設(shè)計要求如下(1) 恒流輸出0-200mA連續(xù)可調(diào); (2) 溫度控制范圍10-40；(3) 溫度控制精度3 (4) 電流控制精度不小于10-3 第2章 半導(dǎo)體激光器特性及總體方案的設(shè)計2.1

26、半導(dǎo)體激光器的工作原理 當(dāng)自發(fā)輻射時，高能態(tài)電子自發(fā)躍遷到低能態(tài)，釋放的能量轉(zhuǎn)換為光子，這些光子具有隨機的方向、相位和偏振狀態(tài)，出射光為非相干光。在受激輻射時，處于高能態(tài)的電子受到入射光的激發(fā)躍遷到低能態(tài)而產(chǎn)生光子，出射的光子與入射光子具有相同的頻率、方向、相位和偏振狀態(tài)，出射光為相干光，半導(dǎo)體激光器正是利用這個原理進(jìn)行工作的5。正如圖2-1所示。圖2-1 半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)最簡單的半導(dǎo)體激光器由帶隙能量較高的P型和N型半導(dǎo)體材料、中間夾一層很薄的另一種半導(dǎo)體材料構(gòu)成，圖2-2為典型半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。從它的原理來看，半導(dǎo)體激光器相比于其他類型的激光器在本質(zhì)上是沒有任何的差別的，它們的

27、工作原理都來自于受基輻射6。圖2-2典型半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)示意圖 如圖2-2所示，如果在金屬接觸時在PN結(jié)上加上正向偏置，在PN結(jié)處，電子與空穴就會復(fù)合產(chǎn)生光子。如果給出一個稍微小的電流時，通過結(jié)區(qū)的電子與空穴的濃度就不能達(dá)到復(fù)合的要求，在此時輻射的能量就不足以克服吸收的能量，因此激光器只能發(fā)生自發(fā)輻射，出現(xiàn)的光是普通光；隨著電流的逐漸加大，此時在結(jié)區(qū)的電流以及空穴的濃度逐漸升高，這時就會產(chǎn)生十分亮的熒光。但是如果輻射的能量不足與在諧振腔內(nèi)的損耗時，就不能在諧振腔內(nèi)產(chǎn)生光震蕩。如果要產(chǎn)生真正的激光注入的電流一定要足夠大，才能克服損耗7。2.2 半導(dǎo)體激光器的特性 2.2.1 半導(dǎo)體激光器的V-I

28、和P-I特性在半導(dǎo)體激光器兩端加上電壓V，就會在激光器中引起注入電流IF，此時非平衡的載流子就會復(fù)合與此同時就會產(chǎn)生光功率P0，半導(dǎo)體激光器的主要工作性質(zhì)就是電壓與注入電流的關(guān)系曲線，以及隨著注入電流If變化光功率P0的變化曲線。圖 2-3 LD V-I特性曲線 圖 2-4 LD P-I特性曲線從圖2-3可知，當(dāng)注入輸入的電流極小時，只會發(fā)生自激震蕩，在此時半導(dǎo)體激光器是不會發(fā)出光的。但隨著電壓的加大，直到超過某個特定的值時，此時注入的電流就會急速的提升將直接導(dǎo)致半導(dǎo)體激光器發(fā)出熒光。從圖2-4看出，當(dāng)注入的電流時十分小的時候，在半導(dǎo)體激光器內(nèi)主要發(fā)生的是自發(fā)輻射，也就是說此時發(fā)出的光是熒光。

29、緊接著不斷地增大注入電流，在半導(dǎo)體激光器內(nèi)就會產(chǎn)生受激輻射，于此同時輸出光的功率就會有所提升。而那個臨界的電流值就是閾值電流Ith，而這個電流值就是圖2-4出現(xiàn)拐點的位置。而往往不同的半導(dǎo)體激光器其閾值電流也是不同的，在應(yīng)用上往往希望其閾值電流要盡可能的小。所以我們可以知道，當(dāng)注入的電流比閾值電流小時是不會發(fā)出激光的，只有當(dāng)注入電流大于預(yù)支電流時，才會發(fā)出激光8。就理論而言半導(dǎo)體激光器工作在一定的范圍內(nèi)，可以看出光功率P0與注入的電流If應(yīng)該是一種嚴(yán)格的線性關(guān)系，但在實際的過程中該曲線不夠光滑，是存在拐點的，也就是說，當(dāng)該激光二極管工作在出現(xiàn)拐點的驅(qū)動電流點時，其輸出光功率與驅(qū)動電流值不成線性

30、比例關(guān)系。2.2.2 半導(dǎo)體激光器的溫度特性1. 溫度對功率的影響 半導(dǎo)體激光器對溫度的變化感應(yīng)能力是非常強的或者說溫度的要求是非常高的，伴隨著溫度的變化其輸出功率的變化也是非常大的。圖2-5給出了一只=1.31m的GaInAsP/InP 半導(dǎo)體激光器在 10-130的P-I特性曲線。圖中底端有一些非常靠近坐標(biāo)軸的曲線，它們對應(yīng)的電流即為閾值電流Ith ，研究表明而Ith 和溫度的關(guān)系可以表示為： Ith（T）Io exp(T/T0) (2-1)式中 T半導(dǎo)體激光器件的絕對溫度；T0LD的特征溫度；I0常數(shù)，它是 T=T0 時閾值電流的1/eT0的大小是受到其用的材料以及制造的結(jié)構(gòu)的影響的，T

31、0表明閾值電流If對溫度的敏感程度9。在實際中往往是T0越大，半導(dǎo)體激光器的溫度性質(zhì)就越好，基于上面所講，在使用半導(dǎo)體激光器的過程中，我們隊半導(dǎo)體激光器的溫度必須進(jìn)行嚴(yán)格的控制，讓它能夠正常的工作使其不受到任何的損壞。這樣就能夠使設(shè)計的驅(qū)動電源達(dá)到我們預(yù)先設(shè)定的要求，達(dá)到更好的效果。圖2-5呈現(xiàn)的就是不同溫度下的半導(dǎo)體激光器的輸出溫度特性。圖2-5 半導(dǎo)體激光器在不同溫度的輸出特性曲線從圖中可以看出隨著溫度的身高，閾值電流逐漸升高，P-I的線性關(guān)也逐漸惡化，尤其在50-130之間。2.溫度對波長的影響 半導(dǎo)體激光器輸出的波長是極其不穩(wěn)定的，它是受到其摻雜的濃度、工作的電流以及它在工作時的溫度影

32、響。伴隨著半導(dǎo)體激光器的溫度升高，半導(dǎo)體激光器材料的折射率以及帶隙的寬度也會隨之發(fā)生變化，此時光諧振腔的尺寸就會越來越大，帶隙越來越窄，這時半導(dǎo)體激光器的輸出光的波長的最大值就會向波長越長的方向移動，緊隨著溫度的升高10。就InGaAsp激光器而言，它的變化率為0.4-0.5nm/,而GaAs激光器，它的變化率就稍微小的約為0.2nm/，在恒功率的條件下其波長溫度的關(guān)系呈現(xiàn)出一種線性正如圖2-6看出。在平時的應(yīng)用上，我們必須的溫度進(jìn)行嚴(yán)格的控制，這樣我們就能夠把波長調(diào)制到我們所需要的范圍上。這樣就能夠更加的達(dá)到設(shè)計的要求，更加的符合最初的設(shè)想。圖2-6 溫度對LD發(fā)射波長的影響2.2.3 半導(dǎo)

33、體激光器的調(diào)制特性在實際中我們發(fā)現(xiàn)，半導(dǎo)體激光器是非常容易調(diào)制的，從上面所敘中我們知道注入的電流與半導(dǎo)體激光器的輸出功率呈現(xiàn)的是一種線性的關(guān)系，由此我們就能通過控制注入的電流來控制半導(dǎo)體激光器的輸出功率。并且在控制的工程中我們發(fā)現(xiàn)其響應(yīng)的速度是非?？斓?。因此我們利用這個特點讓它與電子電路的電路直接連接來實現(xiàn)單片集成的作用11。2.3 LD驅(qū)動電源的設(shè)計方案根據(jù)設(shè)計要求，以及激光二極管本身特性，提出如下的設(shè)計方案2.3.1 方案的提出1.方案一該方案主要由電流驅(qū)動和溫度控制兩個部分。在電流驅(qū)動部分，由鍵盤向單片機輸入電流目標(biāo)值，單片機根據(jù)電流一電壓的線性關(guān)系控制DAC輸出相應(yīng)的電壓，從而控制與其

34、相連的MOSFET的導(dǎo)通程度，此時電壓-與電流的轉(zhuǎn)換就能得以實現(xiàn)，然后將得到的電流通過半導(dǎo)體激光器實現(xiàn)半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動環(huán)節(jié)。圖2-7 總體方案一 2.方案二圖2-8 總體方案該方案由主要由模擬電路及數(shù)字電路組成。它是通過功率器件MOS管控制其柵極的電壓從而控制半導(dǎo)體激光器的電流控制這樣我們就能間接地控制MOSFET的導(dǎo)通程度。在此過程中，運用負(fù)反饋和PI算法進(jìn)行雙重閉環(huán)控制，以穩(wěn)定電流輸出、減少動態(tài)平衡時間，在這之外由于半導(dǎo)體激光器對于外界的條件要求是非常的高的，因此在設(shè)計中還包含著一些必要的保護措施，基本包括防上電沖擊，過流的保護，以及靜電的維護。在溫控環(huán)節(jié)中，半導(dǎo)體制冷器是必要的部分12

35、。它的工作原理是基于帕爾貼效應(yīng)實現(xiàn)的。帕爾貼效應(yīng)是指直流電通過兩種不同的導(dǎo)電材料構(gòu)成回路時，結(jié)點吸熱與放熱的現(xiàn)象。2.3.2方案的選擇在半導(dǎo)體激光器的運行過程中，注入電流的大小和器件溫度間的關(guān)系是密切相關(guān)的。伴隨著注入電流的不斷升高，半導(dǎo)體激光器的溫度也會隨之升高，溫度的升高又會反過來影響半導(dǎo)體激光器的輸出功率以及波長。因此，設(shè)計的驅(qū)動系統(tǒng)必須整合恒流模塊與溫控模塊兩部分的功能,雖然方案二能夠達(dá)到恒流的要求但是并沒有恒流模塊,而半導(dǎo)體激光器在運行的過程中又是非常不穩(wěn)定的,特別是隨著溫度的升高其輸出特性呈現(xiàn)出非線性變化,盡管方案二操作比較方便,易于達(dá)到,但是非常的不溫度特別是在運行的過程中,所以

36、選擇方案一更加的符合設(shè)計的要求。2.3.3 方案的介紹1. LD 恒流模塊驅(qū)動電路單元可以實現(xiàn)對LD進(jìn)行不同驅(qū)動方式的驅(qū)動功能。LD的驅(qū)動方式大致有兩種一種是電流驅(qū)動（ACC）另外一種是恒功率驅(qū)動（APC）。在此次畢業(yè)設(shè)計里，所采用的是ACC恒流驅(qū)動。它直接通過反饋控制回路來驅(qū)動電流，使電流漂移最小且使激光二極管輸出穩(wěn)定性最大。在半導(dǎo)體激光器不工作的時候必須含有保護電路這樣才不會因為經(jīng)典而導(dǎo)致其受到損壞；在LD工作狀態(tài)下，為了防止其因電流過大而損壞LD的限幅電路，以及用于設(shè)定LD工作電流的設(shè)定電路。2. LD溫度控制模塊半導(dǎo)體激光器的特性在不同溫度下不同，所以需要對工作的激光器進(jìn)行溫度控制。溫

37、度的變化經(jīng)過溫度傳感器的加工，使溫度變化的信號轉(zhuǎn)化為電流的信號，在與原先設(shè)定的溫度進(jìn)行比較，此時就會有一個偏差信號，偏差信號經(jīng)過PI控制環(huán)節(jié)來使半導(dǎo)體制冷器工作，這樣溫度就會穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。在此論文中我們所選擇的是溫度傳感器是熱敏電阻，來實時監(jiān)測半導(dǎo)體激光器的溫度。致冷器是熱電制冷器，它是利用帕爾帖效應(yīng)的半導(dǎo)體致冷器件，體積小、結(jié)構(gòu)簡單易控制。在工作的時候由于其一端是冷端效應(yīng)一端是熱端效應(yīng)，因此我們可以控制電流的走向來控制冷熱面13。3. LD保護模塊我們已經(jīng)知道半導(dǎo)體激光器對于電流的承受能力是非常弱的，在實際的應(yīng)用當(dāng)中，我們發(fā)現(xiàn)比較常出現(xiàn)電流沖擊是開關(guān)電源時產(chǎn)生的浪涌沖擊以及電網(wǎng)波動產(chǎn)生

38、的電壓信號。因此在使用中為了保護半導(dǎo)體激光器不會因沖擊導(dǎo)致其受到損壞我們必須提供一些必要的保護措施。其中包括短路保護開關(guān)的設(shè)定，涌浪電流消除電路的設(shè)定以及軟啟動程序過程，軟啟動程序可以由計算機的控制來實現(xiàn)。這種電源的可靠性高，穩(wěn)定性好，就是價格有點昂貴，在實際過程中，我們只要對半導(dǎo)體激光器稍加改進(jìn)，就可以實現(xiàn)軟啟動功能14。第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1 系統(tǒng)恒流源的設(shè)計3.1.1 驅(qū)動原理我們所知道半導(dǎo)體激光器有恒流工作的方式以及恒定功率這兩種工作方式，在這次的畢業(yè)設(shè)計中我們選擇前者作為主要控制方法，設(shè)計的原理框圖如圖3-1所示。圖3-1 LD驅(qū)動單元原理框圖從理論上來講就是將輸出端的信號通過反

39、饋來與輸入端的設(shè)定值進(jìn)行比較，于是就會產(chǎn)生偏差信號，然后偏差信號就會通過調(diào)節(jié)器控制功率放大這一個重要的環(huán)節(jié)，由此來控制信號的放大15。3.1.2 LD驅(qū)動電路設(shè)計ACC控制的主要電路如圖3-2所示。在本次的設(shè)計中的恒電流驅(qū)動通過電阻R10兩端的電壓作為反饋端的輸入，而反饋信號會通過一個U4比例放大器，它的比例放大倍速為1：1，又通過一個反向器后進(jìn)入到反向求和運算放大器的負(fù)相端，由此會與預(yù)定好的值進(jìn)行相應(yīng)的比較，而在輸出端就輸出兩個的差值經(jīng)限定電路和積分電路后，送入功率放大電路的輸入端。如果你想要得到一種輸出相對來講比較穩(wěn)定的激光，對輸入的電流的要求是十分高的，所以在選擇電源時必須要求是一個恒流

40、源。圖3-2 ACC控制電路 3.1.3 功率放大電路設(shè)計從前面的內(nèi)容我們知道，半導(dǎo)體激光器的輸出是與注入的電流呈現(xiàn)出一種線性關(guān)系的。如果你要使激光器的輸出相對穩(wěn)定的話，那么對于供電電源的要求就一定要是低噪音的穩(wěn)定恒流源。在U1C和Q1組成的電路中，可以看出這是一個通過兩個路徑反饋信息的反饋環(huán)電路。 在此電路中含有R7直流反饋通道和C5交流反饋通道。因為在直流反饋通道中在反饋的網(wǎng)絡(luò)里已經(jīng)包含著場效應(yīng)管的非線性效應(yīng)，這樣就能夠保重輸出穩(wěn)定性，它的主要作用是控制輸出電壓，應(yīng)該是負(fù)載上的。在交流通道上輸出端取出電壓，這個電壓是沒有任何相位失真的，最終反饋到輸出端16。我們知道電容是具有阻抗特性的，在

41、高頻時。此時正確信息的含量就將超過錯誤信息，這樣電路的穩(wěn)定性就能夠得到保證。我們知道功放電路的輸入信號是積分環(huán)節(jié)的輸出，而輸出信號是什么呢？就是通過半導(dǎo)體激光器的電流信號，由此我們知道它其實是具有電壓電流轉(zhuǎn)換作用的電壓保持器。這里利用N溝道增強型MOS管Q1采用負(fù)反饋的形式。根據(jù)輸入電壓的大小來改變LD驅(qū)動電壓的大小，以實現(xiàn)對LD的驅(qū)動。圖3-3 ACC控制功率放大電路3.1.4 保護電路的設(shè)計1.穩(wěn)壓電路在整個的參數(shù)電路中，每一個參數(shù)都是從穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路中取出的電壓信號，因此在這里首先著重介紹一下穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路：通過整流濾波電路使得正弦交流電壓變?yōu)橄鄬碇v比較平滑的直流電源，

42、但是我們知道輸出電壓的平均值是副邊框電壓的有效值，所以伴隨著電壓的變化，輸出的電壓的平均值就會發(fā)生變化，在整流濾波電路中是存在著內(nèi)阻的，盡管是非常的小，但當(dāng)負(fù)載發(fā)生改變的時候，此時負(fù)載上的電壓信號就會發(fā)生相應(yīng)的變化，但是輸出電壓平均值反而會發(fā)生相反的變化。2.限幅電路該電路主要由運放U2A、二極管D1、電容C13等組成，如圖3-4所示。限幅電路的作用是將從反相求和運算電路U1B中出來的反饋電壓限定在LD驅(qū)動電流極限 IF LIMIT電壓信號以內(nèi)。圖 3-4 LD限幅電路其工作原理是IF LIMIT信號送入運放U2A的同相輸入端，作為正向參考電壓。當(dāng)從反相電路U3A中出來的反饋電壓高于IF LI

43、MIT電壓（此時說明LD的驅(qū)動電流大于了設(shè)定的上極限值，需要降低驅(qū)動電流的大?。r，運放U2A輸出負(fù)電壓，二極管D1導(dǎo)通，通過D1的鉗位作用使驅(qū)動級前級運放U1B的輸出端電壓下降從而使LD的驅(qū)動電流下降17。3.1.5 半導(dǎo)體激光器的保護措施半導(dǎo)體激光器對電流或是電壓沖擊的承受力是非常差的。我們不難發(fā)現(xiàn)在半導(dǎo)體激光器的使用過程中，二極管遭到擊穿事件也是時有發(fā)生的。據(jù)初步統(tǒng)計，目前在我國LD遭到損壞大概原因有：一LD腔面污染，這是最主要的原因。排在第二的原因為浪涌擊穿。而浪涌擊穿又可以分為：靜電擊穿，正方向浪涌擊穿和正方向電流。針對不同的擊穿在下面提出了不同的保護措施。 （1）靜電保護開關(guān) ：在

44、激光器的兩端加入一個開關(guān)，這個開關(guān)是與地相連的，這樣就構(gòu)成了一個短路回路了，這時激光器就不工作了，開關(guān)常閉，這樣激光器就會受到保護，不會受到靜電的影響。同時在LD兩端并聯(lián)一個電阻，防止LD受到損壞。（2）短路保護開關(guān) ：基本上是通過一個比較小的電阻并聯(lián)與半導(dǎo)體激光器的輸入通道上，當(dāng)驅(qū)動半導(dǎo)體激光器電源時，首先要做的就是把短路保護開關(guān)閉合，通過這一個步驟我們就能夠使沖擊的電流無法通過激光器，就能起到保護的作用；當(dāng)驅(qū)動激光器的電源達(dá)到穩(wěn)定的時候，我們就需要把那個開關(guān)斷開，然后逐漸的加大通過半導(dǎo)體激光器的電流。但是也記住切斷電源以前，要率先閉合短路保護開關(guān)，這樣就能夠起到保護激光器的作用。（3）激光

45、器慢啟動 ：為了解決半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電路的瞬間變化至使半導(dǎo)體激光器可能擊穿的威脅，在電路中積分環(huán)節(jié)，使其驅(qū)動電流緩慢地達(dá)到設(shè)定值，并由單片機實現(xiàn)激光器的軟啟動18。（4） 限流電路 ： 流過電流的大小嚴(yán)重影響著半導(dǎo)體激光器的使用壽命，如果流過半導(dǎo)體激光器的電流超過了其峰值電流，半導(dǎo)體激光器就會遭遇到擊穿的危險，可能造成它永遠(yuǎn)不能夠正常的工作。為此本文利用運算放大器的飽和特性和二極管的導(dǎo)向作用，設(shè)計了限流電路，確保LD工作在極限電流內(nèi)。 3.2 恒流驅(qū)動硬件電路設(shè)計3.2.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD574轉(zhuǎn)換器AD574是12位的轉(zhuǎn)換器，在芯片的內(nèi)部含有三態(tài)輸出緩沖器，它的輸出可也直接連接到單片機的總線

46、上。我們知道AD574它的輸入控制信號含有CE、A0、R/C和12/8。在CE為1，R/C與CS都是0的情況下，此時表示A/D轉(zhuǎn)換，而當(dāng)R/C等于1的時候，此時表示讀取A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。當(dāng)我們在使用AD574時，如果輸入信號A0為0此時設(shè)定為12位的A/D,如果輸入信號A0為1，表示設(shè)定為8位的A/D。AD574完成一次轉(zhuǎn)換的時間大概是15-35微秒，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束的時候，它從1變?yōu)?時，從1到0的下降沿告知單片機已經(jīng)結(jié)束，這時就可以讀取A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。3.2.2 采樣/保持器LF398LF398采樣/保持器是采用雙極型-場效應(yīng)管工藝制成的集成芯片，它的采樣速度快，精度比較的高，保持下降的速度

47、比較慢，穩(wěn)定性好。圖3-5 呈現(xiàn)的是LF398的內(nèi)部結(jié)構(gòu)電路圖，從其中可以看出它其實就是一種反饋型采樣/保持電路。如果要使采樣/保持器處于采樣的狀態(tài)，控制的信號必須是高電平；當(dāng)控制信號為低電平時，處于保持狀態(tài)。輸出會隨著輸入的變化而發(fā)生變化。LF398設(shè)有交直流調(diào)零端。那如何進(jìn)行直流調(diào)零呢？調(diào)節(jié)1K電位器的電刷位置，使得在輸入為0V時，輸出電流電壓為0V。交流調(diào)零方法是調(diào)節(jié)10K電位器的電刷位置使交流輸出為0V。LF398的邏輯輸入的方式是差動電流輸入方式，基于這種特性導(dǎo)致其可直接與TTL和CMOS電路連接，其門限值為1.4V。我們知道LF398的供電電壓為5V-15V。圖3-5 LF398

48、結(jié)構(gòu)圖3.2.3 多路切換開關(guān)CD4051在本設(shè)計中采用了多路切換開關(guān)CD4051，, CD4051是一種單端8通道多路開關(guān)。CD4051的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-6所示，從圖中可以CD4051主要由邏輯電平轉(zhuǎn)換電路，帶禁止線的譯碼器和開關(guān)電路TG構(gòu)成。電平轉(zhuǎn)換電路用來實現(xiàn)由CMOS到TTL邏輯電平的轉(zhuǎn)換，因此輸入電子范圍寬，數(shù)字信號的電平范圍為3V20V，模擬信號的峰值可達(dá)20V。譯碼器用來對3位輸入信號進(jìn)行譯碼，以實現(xiàn)對8路輸入/輸出信號的選取，開關(guān)電路TG由譯碼器的輸出控制，決定8路輸入/輸出信號線的通斷19。如果在八個通道輸入一個模擬在 輸出端將輸出什么是自己設(shè)定。例如，若模擬開關(guān)的供電電源V

49、DD=+5V,VSS=0V,只要對此模擬開關(guān)施加0-5V的數(shù)值控制信號，在這里，ABC數(shù)字控制信號就可以使用5V信號了，因為VDD是5V，里面控制部分就是5V邏輯。當(dāng)VEE=-5V時，就可控制幅度范圍為-5V- +5V的模擬信號。使用十六進(jìn)制代碼就可以對CD4051進(jìn)行控制了比如說P1=0X07，這樣CD4051就選擇的是7號（二進(jìn)制111）通道了。圖3-6 CD4051結(jié)構(gòu)圖3.2.4 89C51和AD574及前置電路接口AD574與89C51單片機、采樣保持器LF398及多路開關(guān)CD4051的接口電路如圖3-7所示。圖中89C51的P0.0口經(jīng)鎖存后接至AD574的A0輸入端，以防止A0在

50、數(shù)據(jù)讀取過程中發(fā)生變化。片選信號CS接地，保證低電平。WR和RD通過一個非門來控制CE，不管是在寫的狀態(tài)還是讀的狀態(tài)，CE均為1，WR將產(chǎn)生R/C信號，當(dāng)執(zhí)行外部的RAM的讀指命令的時候，WR處于高電平的狀態(tài)，而當(dāng)執(zhí)行寫AD574口地址的操作的時候，此時，WR處于低電平的狀態(tài)。12/8接地，此時能夠進(jìn)行12位的切換，而切換的結(jié)果是分兩次以左對準(zhǔn)原則來輸出的。AD574標(biāo)志狀態(tài)端主要是用來實現(xiàn)兩個任務(wù)的，其中之一就是轉(zhuǎn)換讀取的結(jié)果，STS與單片機的INT0口連接起來，在轉(zhuǎn)換結(jié)束的時候，STS會發(fā)出一個脈沖AT89C51單片機發(fā)出一個信號來提出中斷申請的要求，此時單片機會對中斷的請求產(chǎn)生響應(yīng)。另外

51、一個任務(wù)就是反向信號會通過采樣/保持器來對信號進(jìn)行控制與保持。在這里，根據(jù)STS信號特點，還將其作為CD4051禁止輸入信號INH。發(fā)生A/D轉(zhuǎn)換的時候，此時INH處于高電平，通道是斷開的將直接導(dǎo)致模擬量的輸入禁止通過，而當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束的時候，此時INH為低電平，通道就能夠打開模擬量的輸入就能夠得到允許。既充分利用了AD574 STS狀態(tài)端的信息，又可以節(jié)省單片機AT89C51的一根口線。圖3-7 AT89C51和AD574及前置電路接口3.2.5 LCD顯示模塊LCD（LiquidCrystalDisplay）是液晶顯示器的縮寫，它是一種被動式的顯示器，即液晶本身并不發(fā)光，而是利用液晶經(jīng)過

52、處理后能改變光線通過方向的特性，從而達(dá)到白底黑字或黑底白字顯示的目的。液晶顯示器具有省電、抗干擾能力強等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于智能儀器儀表和單片機測控系統(tǒng)中。本設(shè)計使用的顯示器型號是TS162020。在液晶顯示板上排列著若干57或510點陣的字符顯示位，從規(guī)格上分為每行8、6、20、24、32、40位，有1行、2行及4行等選擇。它由日本公司生產(chǎn)的控制器HD44780、驅(qū)動器HD44100及幾個電阻和電容組成。HD44100是擴展顯示字符位用的。內(nèi)部具有字符發(fā)生器ROM，模塊內(nèi)有64字節(jié)的自定義字符RAM,可自行定義8個57點字符，同時還有80字節(jié)的數(shù)據(jù)顯示存儲器。LCD顯示接口電路如圖3-8所

53、示。圖3-8 顯示模塊3.3 恒溫模塊的設(shè)計圖3-9呈現(xiàn)的是恒溫單元原理框圖溫度控制單元。半導(dǎo)體制冷器的溫度變化引起溫敏電阻的阻值變化，經(jīng)R/V轉(zhuǎn)換電路得到與溫敏電阻阻值對應(yīng)的電壓值，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)電路控制OCL驅(qū)動電路，通過改變電流的方向使可以使半導(dǎo)體制冷。 圖3-9 溫控單元原理框圖3.3.1 半導(dǎo)體制冷器的工作原理半導(dǎo)體制冷又稱熱電制冷。當(dāng)有直流電流通過具有熱電能量轉(zhuǎn)換功能的材料時，會使其制冷，基于這種特性把它命名為熱電制冷。又因為半導(dǎo)體材料在熱電能量轉(zhuǎn)換的表現(xiàn)上十分的優(yōu)越，因而它的應(yīng)用讓熱電制冷的實用化成為可能。因此大家把熱電制冷稱之為半導(dǎo)體制冷21。圖3-10 帕爾貼效應(yīng)示意圖 帕爾貼

54、效應(yīng)是半導(dǎo)體制冷器的基本工作原理。那么帕爾貼效應(yīng)具體指的是什么呢？它指的是當(dāng)直流電通過兩種不同的導(dǎo)電材料的時候并構(gòu)成一個回路，結(jié)點會發(fā)生吸熱和放熱的現(xiàn)象，正如圖3-10所示。 我們知道P型材料里面含有的電子數(shù)量不是很多，有正溫差電勢，而在N型材料里面含有許多的電子，呈現(xiàn)出負(fù)溫差電勢，如果電子穿越結(jié)點從P型材料到達(dá)N型材料，半導(dǎo)體制冷器的能量肯定會有所增加，增加的能量正好是在結(jié)點處消耗的能量。在另一方面，如果電子穿越結(jié)點從N型材料到達(dá)P型材料的時候，能量就會有所下降，結(jié)點的溫度就會有所提高22。用導(dǎo)熱片把一個P型半導(dǎo)體和一個N型半導(dǎo)體元件連接起來并接通電源，在接頭處就會產(chǎn)生熱電能量的轉(zhuǎn)移。在一個接頭的地方，電流方向NP，溫度下降并且吸熱，這是冷端。而另外一個接頭的地方，電流方向PN，溫度上升。這就是熱端。一端冷端，另一端是熱端。熱交換器具有傳熱的手段，使熱電堆的熱端會不斷的散發(fā)出熱量并且保持在一定的溫度，把熱電堆的冷端放到工作的環(huán)境中吸熱降溫，熱電制冷器的原理就是這樣。3.3.2 比例積分調(diào)節(jié)電路在本設(shè)計中采取了并聯(lián)負(fù)反饋的方式來進(jìn)行PI控制，這里