??? 摘 要： 功率穩(wěn)定可調(diào)" title="可調(diào)">可調(diào)的激光二極管（LD）在精密光電檢測(cè)和光纖通信系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。介紹了一種單片機(jī)控制激光二極管輸出功率的方法，針對(duì)SANYO 30mW紅光LD設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)電路" title="驅(qū)動(dòng)電路">驅(qū)動(dòng)電路，其驅(qū)動(dòng)電流在0～100mA之間可調(diào)，最小可調(diào)量<0.01mA。單片機(jī)片內(nèi)對(duì)監(jiān)測(cè)電流偏差進(jìn)行了PID調(diào)節(jié)運(yùn)算，使激光二極管輸出功率穩(wěn)定。
??? 關(guān)鍵詞： 功率穩(wěn)定可調(diào)激光二極管? 單片機(jī)? 驅(qū)動(dòng)電路? PID調(diào)節(jié)
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??? 在精密光電檢測(cè)領(lǐng)域中，光源的微小波動(dòng)會(huì)引起被測(cè)量的較大偏移，從而產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差。如在半導(dǎo)體薄膜特性檢測(cè)中，常常需要檢測(cè)薄膜反射比以求解出其它光電學(xué)參量。由于薄膜增長(zhǎng)的緩慢（0.1nm級(jí)/秒），反射比變化非常小，在這種情況下，對(duì)于光源穩(wěn)定性的要求非常高，達(dá)到0.1%。穩(wěn)定光源在光纖測(cè)量中像電子電路測(cè)試時(shí)用振蕩器作為信號(hào)源一樣，要求發(fā)出高穩(wěn)定、光功率" title="光功率">光功率可調(diào)的光信號(hào)[1]。穩(wěn)定光源是急待開發(fā)的光纖系統(tǒng)測(cè)試儀器中的一種重要的基礎(chǔ)設(shè)備。
??? 國(guó)內(nèi)一些學(xué)者對(duì)穩(wěn)定激光光源作了一些研究。有的設(shè)計(jì)方法使激光器注入電流穩(wěn)定[2～3]，并配合使用溫控電路。這種方法雖然對(duì)穩(wěn)定性有一定提高，但對(duì)其它影響因素缺乏考慮，不是一種閉環(huán)的控制系統(tǒng)。有的對(duì)光功率的調(diào)節(jié)只使用模擬的積分調(diào)節(jié)[1]，由于積分控制對(duì)穩(wěn)態(tài)誤差的消除作用是靠對(duì)誤差的積累產(chǎn)生的，故反映不靈敏，且會(huì)使系統(tǒng)穩(wěn)定裕量下降，超調(diào)增大，一般不單獨(dú)使用。這兩種方法的共同點(diǎn)是模擬調(diào)節(jié)。本文設(shè)計(jì)一種對(duì)輸出光功率進(jìn)行閉環(huán)數(shù)字PID調(diào)節(jié)的激光二極管（LD）驅(qū)動(dòng)電路。該電路使用高精度14位A/D" title="A/D">A/D、D/A" title="D/A">D/A轉(zhuǎn)換器，理論上對(duì)光功率的0.01%變化均可調(diào)節(jié)，且驅(qū)動(dòng)電流最小調(diào)節(jié)量<0.01mA，同時(shí)可精確設(shè)置初始驅(qū)動(dòng)電流（光功率）。
1 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
1.1 激光二極管封裝及參數(shù)
??? 常見激光二極管封裝有兩種形式：共陽(yáng)極與共陰極型（圖1（a）所示）。LD和監(jiān)測(cè)激光器背向輸出光功率的PIN光電二極管封裝在一起。這里，LD采用SANYO 655nm紅光激光二極管，封裝形式為共陽(yáng)極（LD的正極與PD（光電二極管）的負(fù)極連接在一起）。LD最大輸出光功率為30mW，閾值電流為40mA（25°C），工作電流最大為110mA。PD的監(jiān)測(cè)電流Im與激光器的輸出功率P0在溫度不變的情況下成線性關(guān)系（圖1（b）所示），這為后面控制電路的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。
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1.2 電路原理
??? 光電二極管的監(jiān)測(cè)電流經(jīng)差分放大后變成一個(gè)電壓量，經(jīng)高精度A/D轉(zhuǎn)換器采樣量化后送入單片機(jī)，與單片機(jī)內(nèi)監(jiān)測(cè)電壓參考值（在設(shè)定功率條件下，監(jiān)測(cè)電流經(jīng)差分放大后變成的電壓量的數(shù)字表示）之間作差，產(chǎn)生電壓偏差信號(hào)；再對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行PID運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換及電壓－電流（V-I）變換后，成為L(zhǎng)D的驅(qū)動(dòng)電流。PID調(diào)節(jié)是為了使激光二極管輸出功率穩(wěn)定。這種單片機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。
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1.3 電路模塊選型及計(jì)算
1.3.1 差分放大模塊
??? 由圖1（b）可見，監(jiān)測(cè)電流很小，尤其當(dāng)激光器輸出功率<10mW時(shí)。如果把監(jiān)測(cè)電流通過(guò)一電阻接入放大器，則由于放大器的輸入阻抗太小以及電阻的溫漂問(wèn)題，使放大器的輸入電壓受溫度影響非常大，從而導(dǎo)致A/D轉(zhuǎn)換器的輸入不準(zhǔn)確。因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)該消除或減小環(huán)境溫度對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器輸入的影響。設(shè)計(jì)中使監(jiān)測(cè)電流與參考電流通過(guò)一個(gè)由四個(gè)阻值及溫度系數(shù)均相等的高精度電阻組成的電橋電路，這樣溫度的影響會(huì)在相減中減小。放大器采用TI公司的高輸入阻抗精密差分放大器INA114，其原理圖如圖3所示。
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??? 其中，參考電流Iref可由另一INA114和OPA602得到。放大器的輸出電壓可由下式計(jì)算：
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1.3.2 模/數(shù)及數(shù)/模轉(zhuǎn)換器
?? ?A/D轉(zhuǎn)換器選用美信公司的MAX1062，D/A轉(zhuǎn)換器選用模擬器件公司的AD5551，它們都是14位的串行轉(zhuǎn)換器，適合于對(duì)速度要求不是很高的場(chǎng)合。轉(zhuǎn)換器的片選信號(hào)、時(shí)鐘線及數(shù)據(jù)線直接同單片機(jī)的用戶口P1相連。轉(zhuǎn)換器的位數(shù)決定了檢測(cè)控制電路的分辨率。14位轉(zhuǎn)換器可把4.096V量程的電壓量化成214份，所以調(diào)整差分放大器的增益使其輸出電壓最大值達(dá)到A/D轉(zhuǎn)換器的滿量程電壓，則理論上對(duì)于光功率變化1/214均可檢測(cè)到，即該驅(qū)動(dòng)電路可以檢測(cè)到<0.01%的激光器光功率變化，進(jìn)而可在單片機(jī)中進(jìn)行調(diào)節(jié)。同樣設(shè)D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓經(jīng)V-I變化后的滿量程電流為150mA，則驅(qū)動(dòng)電流的最小可調(diào)節(jié)量為150/214=0.01mA。
1.3.3? 電壓/電流轉(zhuǎn)換
??? 由于上述D/A轉(zhuǎn)換器的輸出無(wú)緩沖，故采用運(yùn)放與場(chǎng)效應(yīng)管組成的共源放大電路。其中運(yùn)放對(duì)輸出有緩沖作用。
??? 圖4電路中V1為D/A的輸出電壓，場(chǎng)效應(yīng)管的漏極－源極的電流（即LD的驅(qū)動(dòng)電流）為：
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??? 由上式可見，驅(qū)動(dòng)電流由V1及小電阻Rs決定。在實(shí)際中取Rs為30Ω的高精密電阻，則由上式可得滿量程電流為150mA。由于LD正常工作時(shí)，其壓降為2V左右，所以這樣設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電流最大值不會(huì)超過(guò)100mA，對(duì)LD可以起到保護(hù)作用。故驅(qū)動(dòng)電流在0～100mA之間可調(diào)。由上式可見，最大驅(qū)動(dòng)電流可以通過(guò)調(diào)節(jié)Rs的大小來(lái)得到，設(shè)計(jì)靈活性較大。
??? 此外，電路中單片機(jī)與計(jì)算機(jī)間通過(guò)RS232串行口進(jìn)行通信，采用的RS232收發(fā)器為MAX3232。計(jì)算機(jī)通過(guò)串口可對(duì)LD的初始驅(qū)動(dòng)電流、參考監(jiān)測(cè)電壓進(jìn)行設(shè)置，還可以對(duì)PID數(shù)字調(diào)節(jié)器的比例、積分、微分系數(shù)進(jìn)行設(shè)定，這樣可以方便快捷地整定出調(diào)節(jié)器的參數(shù)。存儲(chǔ)器中存放一些設(shè)定參數(shù)以及暫存PID運(yùn)算的中間結(jié)果。
2 數(shù)字PID調(diào)節(jié)
??? PID調(diào)節(jié)器控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)容易調(diào)整，不必求出被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型便可調(diào)節(jié)。其輸入e(t)與輸出u(t)間的關(guān)系為[4]：
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??? 為了實(shí)現(xiàn)編程，將上式寫成離散化，可寫出第k次采樣式PID的輸出表達(dá)式為[5]：
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??? 式中，E(k)為第k次采樣式的偏差值。設(shè)監(jiān)測(cè)電壓設(shè)定值為V0set，差分放大器第k次輸出的采樣值為V0（k），則：
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??? 為程序設(shè)計(jì)方便，將式（4）作進(jìn)一步改進(jìn)，設(shè)比例輸出為：Up(k)=KPE(k)，積分項(xiàng)輸出為：UI(k)=KIE(k)+PI(k-1)，微分項(xiàng)輸出為：UD(k)=KD[E(k)-E(k-1)]，那么式（4）可寫成：
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??? 式（6）即為離散化的位置型PID編程公式，一般采用浮點(diǎn)運(yùn)算。當(dāng)Kp、KI、KD分別給出且存放在指定的內(nèi)部RAM中時(shí)，則完成式（6）位置型浮點(diǎn)運(yùn)算PID運(yùn)算程序的流程圖如圖5所示（初始化程序設(shè)置初值使E(k-1)＝UI(k-1)＝0）。
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??? 在PID三種作用中，比例作用可對(duì)偏差作出及時(shí)響應(yīng)；積分作用主要用來(lái)消除靜差，改善系統(tǒng)的靜態(tài)特性；微分作用主要用來(lái)減少超調(diào)，克服振蕩，使系統(tǒng)趨向穩(wěn)定，加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少超調(diào)時(shí)間，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。若能將三種作用的強(qiáng)度配合適當(dāng)，可以使控制器快速、平穩(wěn)、準(zhǔn)確，從而獲得滿意的控制效果。PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定可以使用擴(kuò)充臨界比例度法[5]。
??? 該設(shè)計(jì)將經(jīng)典PID控制理論融入激光二極管功率控制中，采用數(shù)字調(diào)節(jié)方式，初始驅(qū)動(dòng)電流（LD輸出功率）可設(shè)置，最小電流可調(diào)量小，調(diào)節(jié)精度高，最大驅(qū)動(dòng)電流可變。將該驅(qū)動(dòng)電路與溫度控制電路配合使用（LD的閾值電流和輸出功率受工作溫度的影響較大），可使激光二極管輸出功率高度穩(wěn)定且可調(diào)。
參考文獻(xiàn)
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