摘 要： 為了保持半導體激光器工作的穩(wěn)定性，設計了一種基于MAX1978的高精度溫度控制系統(tǒng)。采用熱電制冷器（TEC）作為溫度補償元件，通過外部比例積分微分（PID）補償網(wǎng)絡控制驅動TEC模塊。該系統(tǒng)具有功耗低、效率高、集成度高等優(yōu)點，在15℃~40℃控溫范圍內可連續(xù)調節(jié)，控溫精度可達0.002℃。
關鍵詞： 高精度；PID；MAX1978；TEC
0 引言
半導體激光器具有成本低、效率高、體積小等優(yōu)點，已經(jīng)成為物理研究中不可缺少的部分[1]。半導體激光器對溫度極其敏感，其自身工作時產(chǎn)生的熱量以及外界環(huán)境溫度的變化都會使激光二極管的閾值、輸出波長和輸出功率發(fā)生變化，波長變化系數(shù)在0.1 nm/℃左右[2]。在原子光學的研究領域，利用激光對原子進行冷卻、俘獲與操控已經(jīng)是非常成熟的技術，半導體激光器以其價格低廉、結構簡單、可靠性高等優(yōu)點而得到廣泛應用。包括原子頻標、原子慣性系統(tǒng)等在內的原子光學領域，對激光器的功率穩(wěn)定性、線寬、頻率穩(wěn)定性都要求很高[3]。目前普遍采用的溫控系統(tǒng)成本高、系統(tǒng)復雜、體積大，采用集成芯片MAX1978設計的溫控系統(tǒng)能夠很好地解決這些問題，將由于溫度變化而導致的激光器工作不穩(wěn)定因素完全消除。
1 溫度控制原理
TEC是利用珀爾帖效應制作而成的一種半導體制冷器。當電流通過兩種半導體材料組成的PN結時，由于兩種半導體材料中的電子和空穴在跨越PN結移動過程中的吸熱和放熱效應（珀爾帖效應），其一端會吸熱而另一端放熱，就會使PN結表現(xiàn)為制冷和加熱的效果，制冷還是加熱，以及制冷、加熱的速率，是由通過PN結的電流方向和大小決定的[4-5]。因此，可以通過控制電流的方向和大小控制制冷或加熱以及加熱制冷速率，非常適合要求控制精度高、響應快速的恒溫控制系統(tǒng)。利用TEC實現(xiàn)溫度控制的方法如圖1所示。
圖1中，目標溫度的選擇是通過設定電壓值來實現(xiàn)的，用負溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）來測量目標物體的溫度值，目標物體的實際溫度變化時NTC的阻值將發(fā)生變化，宏觀表現(xiàn)為熱敏電阻兩端電壓值的變化，并與設定電壓進行比較。在比較電路部分應用一個精密運算構成差分放大器進行電壓值的比較，產(chǎn)生一個誤差電壓值。誤差電壓經(jīng)過一個高增益運算放大器構成的PID控制器，控制脈沖寬度調制（PWM）控制器驅動場效應管，對流過TEC的電流大小和方向進行控制，使目標溫度與設定溫度達到一致。
2 溫控系統(tǒng)電路設計
2.1 MAX1978的特點
MAX1978是用于TEC模塊的最小、最精確、最安全的溫度控制微芯片。MAX1978具有很高的集成度，將控制環(huán)路和功率FET管集成在同一芯片上，盡可能地減少外部電路，使整個溫控系統(tǒng)更加小型化。芯片具有500 kHz和1 MHz的MOSFET開關頻率可供選擇，獨特的紋波消除方法降低了電路噪聲，也優(yōu)化了芯片的尺寸和工作效率；同時，對內部MOSFET的開關速度進行了優(yōu)化，減少了噪聲和電磁干擾（EMI）。
MAX1978直接輸出電流而不是電壓，能夠直接消除浪涌電流，獨立的加熱和制冷電流電壓限制為TEC提供最安全的保護，整個溫控系統(tǒng)更加安全可靠。采用單電源供電，能夠為TEC提供雙極性的±3 A輸出電流，實現(xiàn)溫度的無“死區(qū)”控制，避免在低電流工作時的非線性問題。MAX1978內部集成了一個超低漂移的斬波型運算放大器和一個積分放大器，構成比例積分（PI）或者比例積分微分（PID）控制器，能夠維持±0.001℃的溫度穩(wěn)定性[6]。MAX1978溫度控制原理框圖如圖2所示。
2.2 電路圖設計
圖3為所設計的基于MAX1978的溫度控制電路。整個系統(tǒng)采用+5 V單電源供電，功耗低。芯片內部集成了一個+1.5 V的高精度參考電壓源Vref，能夠為溫度設定和TEC限流限壓提供電壓參考。MAX1978的溫度設定部分是通過RT與R17、R18、R19、R20構成的電橋實現(xiàn)的，當電橋達到平衡時，即管腳18、19上的電壓值達到一致，此時激光器溫度值為溫度設定值。電位器R19的選擇與系統(tǒng)要求的溫度調節(jié)范圍和精度有關，R20用來限定溫度調節(jié)的下限，避免超出調節(jié)范圍。電橋的兩臂連接在同一個電壓參考源Vref上，Vref的噪聲在電橋兩臂相互抵消[7]，消除了參考源中的噪聲對溫度穩(wěn)定性的影響。電路中的溫度電壓值設定按式（1）計算。
熱敏電阻RT在25℃時的電阻值為10 kΩ，為了滿足溫度調節(jié)范圍內的電壓值設定，取R18=10 kΩ，R20=5.23 kΩ，R19用總阻值為30 kΩ的多圈精密電位器。電橋中的電阻均采用精度為0.1%的高精度、高熱穩(wěn)定性的精密電阻。在跳線端P1處，可以通過單片機或者數(shù)模轉換（DAC）來設定溫度值。
MAX1978具有高低溫報警指示功能，當管腳18（FB-）和19（FB+）上電壓值之差大于20 mV時，管腳12（OT）或者13（UT）就會拉低。對于10 kΩ@25℃的熱敏電阻，20 mV大約對應1℃的溫差。在管腳12和13上外接紅綠LED燈，可以通過LED燈的亮滅來直觀判斷溫度是否達到設定值以及系統(tǒng)是否正常。
2.3 PID網(wǎng)絡參數(shù)設定
PID補償網(wǎng)絡是TEC溫度控制中最關鍵的部分，直接影響溫度控制系統(tǒng)的響應速度和控制精度[8]。為了較好地解決系統(tǒng)調節(jié)速度和調節(jié)精度之間的矛盾，必須對PID參數(shù)進行不斷的優(yōu)化[9]。PID調節(jié)器的方程如式（2）所示。
其中，KP、KI和KD分別為比例、積分、微分增益系數(shù)。由于PID控制器中有3個可供選擇的參數(shù)KP、KI和KD，因此，在取不同增益系數(shù)的情況下可以得到不同的組合控制器。比例控制器和積分控制器都只有在出現(xiàn)偏差時才進行調節(jié)，而微分控制器則是針對偏差信號的變化速率進行調節(jié)。一般情況下，實現(xiàn)微分作用并非直接對檢測信號進行微分操作，這樣會引入很大的沖擊，引起振蕩，通常使用檢測信號的速率傳感器來避免對信號的直接微分[10]。在溫控系統(tǒng)中為了避免系統(tǒng)的不穩(wěn)定，只使用P和I環(huán)節(jié)組成PI控制器。
MAX1978內部集成了一個精密積分運放，通過外加電容電阻即可構成PI控制器。PI控制器原理圖如圖4所示。
控制方程為：
3 實驗結果
在恒溫箱中模擬25℃的室溫環(huán)境溫度，通過電位器R19調節(jié)FB+端的電壓值，設定電壓值為0.799 V，對應溫度值為22℃。當系統(tǒng)達到穩(wěn)定后，測試熱敏電阻兩端電壓值即管腳18（FB-）上的電壓值變化，實驗結果如圖5所示。
從圖5可以看出，F(xiàn)B-上電壓值達到穩(wěn)定后在0.799 00 V~0.799 05 V之間，電壓變化范圍在±25 ?滋V以內，經(jīng)過計算，對應溫度控制精度在±0.002℃以內。測試結果表明，F(xiàn)B-上電壓長期漂移量不超過50 V，對應的長期溫度漂移量小于0.004℃。
4 結論
利用MAX1978設計的半導體激光器溫度控制系統(tǒng)具有集成度高、控溫精度高、成本低廉等優(yōu)點。溫控系統(tǒng)能夠長時間穩(wěn)定工作，完全符合原子物理研究領域的要求，能夠使溫度對激光器輸出波長、輸出功率和線寬的影響忽略不計。
參考文獻
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