CN101175352A - 超辐射发光二极管的数控驱动方法及其装置 - Google Patents

超辐射发光二极管的数控驱动方法及其装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了超辐射发光二极管的数控驱动方法及其装置，利用阶跃响应法，在装置启动初始获得对热电制冷器进行有效控制的PID参数，并运用到PID控制算法之中，通过比较热敏电阻温度信号与设定温度信号的偏差，经过PID控制，输出信号至热电制冷器，控制热电制冷器产生相应的制冷量，以改善SLD工作环境温度，提高SLD的温度稳定性。本发明能够广泛的适用各种厂商所生产的超辐射发光二极管，适应性强。并且能够根据工作条件的不同，调整控制参数，有效的克服了固定参数控制不能适应环境温度变化的问题，提高了控制精度，有效地改善了SLD输出功率及中心波长的稳定性。

Description

超辐射发光二极管的数控驱动方法及其装置
技术领域
本发明涉及超辐射发光二极管的数控驱动方法及其装置。
背景技术
光纤陀螺是具有广泛军事和民用应用背景的角速度传感器。超辐射发光二极管(SLD)，具有短时间相干性和长空间相干性的特点，被普遍的用来作为光纤陀螺的光源。由于SLD光源稳定性对陀螺的精度有很大的影响，因此，控制SLD稳定输出——光功率、光波长、偏振特性，具有极其重要的意义。目前广泛采用的SLD驱动方法为“恒流+温控”，恒流源加载到SLD管芯，并通过TEC(热电制冷器)控制SLD的工作温度，从而实现电流，温度的稳定性。对温度的控制通常采用模拟的P(比例)控制或PI(比例积分)控制，以及固定参数PID(比例积分微分)数字控制，这类控制方法不能有效地针对SLD工作环境变化做出适当的调整，光源输出特性随工作环境的温度变化较大，控制精度低。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种适用性强，控制精度高，稳定性好的超辐射发光二极管的数控驱动方法及其装置。
超辐射发光二极管由管芯、热电制冷器、热敏电阻三部分组成，本发明提出的数控驱动方法，是采用阶跃响应法获取温度控制参数的“恒流源+温控”方法，包括以下步骤：
1)装置启动阶段，微处理器经D/A转换器发送固定幅度的电压信号至热电制冷器，使热电制冷器产生一定的制冷量；同时利用温度采样电路采集热敏电阻温度-电压信号，获取比例积分微分控制特性的飞升曲线；
2)采用参数辨识算法分析飞升曲线，获得比例积分微分控制参数，并设置到PID运算模块中；
3)将温度采样电路采集热敏电阻的温度-电压信号与设定工作温度信号相比较，由微处理器对比较后的偏差信号经进行PID运算，用运算输出的信号控制热电制冷器的制冷量，使管芯温度到达开启管芯的允许温度范围，开启管芯，进入正常工作阶段。
用于上述方法的超辐射发光二极管的数控驱动装置，包括由管芯、热电制冷器、热敏电阻三部分组成的超辐射发光二极管，其特征在于该装置还包括温度采样电路，A/D转换器，两个D/A转换器，恒流源电路，热电制冷器驱动电路和微处理器，温度采样电路的输入端与热敏电阻相连，温度采样电路输出端接A/D转换器的输入端，A/D转换器的输出端与微处理器相连，微处理器输出分两路，其中一路经第一D/A转换器与热电制冷器驱动电路的输入端相连，热电制冷器驱动电路输出端与热电制冷器相连，微处理器输出的另一路经第二D/A转换器与恒流源电路的输入端相连，恒流源电路的输出端与管芯相连。
本发明的优点：使用微处理器实现了超辐射发光二极管的数字控制，针对超辐射发光二极管控制参数的不一致性，能通过阶跃响应法快捷地获得装置的控制参数，因此适应性强，能够广泛的适用各种厂商所生产的超辐射发光二极管。同时，本方法能够根据环境温度不同，调整PID控制参数，弥补了以往固定PID参数控制不能正确反映环境温度变化所带来的不足，提高了控制精度，有效地改善了SLD输出功率及中心波长的稳定性。
附图说明
图1为本发明装置的构成框图；
图2为恒流源的电路图；
图3为温度采样电路原理图；
图4为热电制冷器驱动电路图；
图5为阶跃响应法获得PID参数的原理图；
图6为PID控制原理图。
具体实施方式
参照图1，本发明的超辐射发光二极管数控驱动装置，包括由管芯1、热电制冷器2、热敏电阻3三部分组成的超辐射发光二极管，其特征在于该装置还包括温度采样电路4，A/D转换器5，两个D/A转换器6、7，恒流源电路8，热电制冷器驱动电路9和微处理器10，温度采样电路4的输入端与热敏电阻3相连，温度采样电路4输出端接A/D转换器5的输入端，A/D转换器5的输出端与微处理器10相连，微处理器10输出分两路，其中一路经第一D/A转换器6与热电制冷器驱动电路9的输入端相连，热电制冷器驱动电路9输出端与热电制冷器2相连，微处理器10输出的另一路经第二D/A转换器7与恒流源电路8的输入端相连，恒流源电路8的输出端与管芯1相连。
恒流源电路如图2所示，其包括功率放大器A21，输入的恒压信号Vc经R21、C21组成的滤波电路与功率放大器A21的正输入端相连，功率放大器A21的输出端与负输入端之间接入SLD管芯，功率放大器A21的负输入端与地之间接入电阻R22，用以调节流经SLD管芯的电流I。恒流的计算公式为I＝Vs/R22＝Vc/R22，选取适当的电阻值及电压信号产生驱动SLD电流。在功率放大器的入口处电阻R21和电容C21构成RC电路作为恒流源的缓启动电路，使光源发光管的驱动电流缓慢升高，避免损伤管芯。在SLD的管芯前的电容C22起到了脉冲和过载保护的作用。
温度采样电路如图3所示，其包括由热敏电阻3及3个普通电阻R31组成的电桥B1，电桥B1的输出端接精密仪器放大器A31的差分输入端，精密仪器放大器的输出端经R32、C31、R33组成的滤波电路接入运算放大器A32的正输入端，A32的负输入端经电阻R34连接A32的输出端，作为电压跟随器，A32的输出端经电阻R35送至A/D转换器采样。
热电制冷器驱动电路如图4所示，来自第一D/A转换器6的控制信号经电阻R41接入运算放大器A41的正输入端，A41的负输入端经电阻R42与A41的输出端相连，构成电压跟随器，A41的输出端经R43与功率放大器A42的负输入端相连，A42正输入端接地，A42的负输入端通过电阻R44与A42的输出端相连，构成负反馈放大电路，A42的输出信号通过R45连接热电制冷器的输入端。
图5为通过阶跃响应法获得PID控制参数的原理图。装置初始时，微处理器通过第一D/A转换器6向热电制冷器驱动电路9施加一定幅度的阶跃信号给热电制冷器2，产生一定的制冷量，改变热敏电阻3的环境温度，并通过温度采样电路4采集热敏电阻3的温度电压信号送至A/D转换器5，得到阶跃响应的飞升曲线，采用参数辨识算法对飞升曲线进行分析，获取热电制冷器进行有效控制的PID参数。
图6为PID控制原理图。微处理器比较采样所得温度信号T1以及设定工作信号T2，得到偏差信号e(T)，对偏差信号进行数字PID运算，运算结果依次经第一D/A转换器6、热电制冷器驱动电路9，输出至热电制冷器2，产生制冷量，改善环境温度。
超辐射发光二极管数控驱动工作过程：
启动初始，首先进行参数辨识过程。微处理器10控制第二D/A转换器7输出零电压信号，恒流源电路8处于关闭状态，由微处理器10通过第一D/A转换器6发送一定幅度的阶跃信号至热电制冷器驱动电路9的输入端，使热电制冷器2产生一定的制冷量，同时由温度采样电路4采集热敏电阻3的温度电压信号，通过A/D转换器5送至微处理器10，连续进行此过程直至此温度电压信号稳定，得到热电制冷器2和热敏电阻3的阶跃响应飞升曲线。微处理器10运行参数辨识算法对该飞升曲线进行分析，获得进行PID控制的比例、积分、微分参数，并将得到的各项参数设置到PID运算模块部分，结束参数辨识过程。
启动完毕，装置切换到PID运算过程，A/D转换器5通过温度采样电路4采集热敏电阻3温度电压信号，送至微处理器与设定工作温度信号比较，取偏差信号作为PID运算的输入量，输出运算结果至第一D/A转换器6，该输出量通过热电制冷器驱动电路9施加至热电制冷器2，产生相应的制冷量，改善SLD管芯1及热敏电阻3所处环境温度，形成闭环控制。当SLD管芯所处环境温度进入允许工作范围后，微处理器10控制第二D/A转换器7输出一定的恒压信号至恒流源电路8的输入端，通过恒流源电路8产生相应的电流I，驱动SLD管芯，使管芯发光，装置进入正常工作状态。
装置关闭时，微处理器10首先控制第二D/A转换器7输出零电压信号至恒流源电路8的输入端，恒流源输出电流I为零，关断SLD管芯，SLD管芯停止发光。然后，关闭整个装置。

Claims (2)

1.超辐射发光二极管的数控驱动方法，驱动由管芯、热电制冷器、热敏电阻三部分组成的超辐射发光二极管，其特征在于包括以下步骤：
1)装置启动阶段，微处理器经D/A转换器发送固定幅度的电压信号至热电制冷器，使热电制冷器产生一定的制冷量；同时利用温度采样电路采集热敏电阻温度-电压信号，获取比例积分微分控制特性的飞升曲线；
2)采用参数辨识算法分析飞升曲线，获得比例积分微分控制参数，并设置到PID运算模块中；
3)将温度采样电路采集热敏电阻的温度-电压信号与设定工作温度信号相比较，由微处理器对比较后的偏差信号经进行PID运算，用运算输出的信号控制热电制冷器的制冷量，使管芯温度到达开启管芯的允许温度范围，开启管芯，进入正常工作阶段。
2.根据权利要求1所述的超辐射发光二极管数控驱动方法的装置，包括由管芯(1)、热电制冷器(2)、热敏电阻(3)三部分组成的超辐射发光二极管，其特征在于该装置还包括温度采样电路(4)，A/D转换器(5)，两个D/A转换器(6、7)，恒流源电路(8)，热电制冷器驱动电路(9)和微处理器(10)，温度采样电路(4)的输入端与热敏电阻(3)相连，温度采样电路(4)输出端接A/D转换器(5)的输入端，A/D转换器(5)的输出端与微处理器(10)相连，微处理器(10)输出分两路，其中一路经第一D/A转换器(6)与热电制冷器驱动电路(9)的输入端相连，热电制冷器驱动电路(9)输出端与热电制冷器(2)相连，微处理器(10)输出的另一路经第二D/A转换器(7)与恒流源电路(8)的输入端相连，恒流源电路(8)的输出端与管芯(1)相连。
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