CN108493758A

CN108493758A - 一种激光器的高精度温控与驱动电路系统

Info

Publication number: CN108493758A
Application number: CN201810258568.1A
Authority: CN
Inventors: 张明江; 杨帅军; 张建忠; 刘毅; 乔丽君; 于小雨; 孟洁
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2018-03-27
Filing date: 2018-03-27
Publication date: 2018-09-04

Abstract

本发明涉及激光器的温控与驱动电路系统，具体是一种可以实现对激光器工作温度以及驱动电流可变化调节输出的电路系统。本发明有效的解决了驱动电流的微小波动对单片集成混沌激光器进入混沌的路径以及输出的混沌信号状态的影响以及因温度的微小波动对混沌激光器波长和阈值电流的影响等问题。激光器的高精度温控与驱动电路设计主要包括温度控制模块，直流驱动模块，以及按键控制模块三部分。

Description

一种激光器的高精度温控与驱动电路系统

技术领域

本发明涉及混沌激光器的高精度温控与驱动电路系统，具体是一种可以实现对激光器工作温度以及驱动电流可变化输出的电路系统。

背景技术

近几年，混沌信号在通信、传感、信息安全等领域显现出重要的应用价值。目前混沌信号的产生主要有两种方式：一、分立器件产生混沌信号；二、集成混沌激光器产生混沌信号。但是，分立器件产生混沌信号，其结构复杂、且易受环境影响、输出不稳定、不利于混沌信号的应用。集成混沌激光器作为一种新型的光电子器件，具有体积小、易于其他系统集成、可以输出稳定可靠的宽带混沌信号等优点，成为现在的研究热点。混沌激光器使用的增益介质是砷化镓、磷化铟等材料，其特性对温度很敏感，而温度的变化对激光器的波长和阈值电流均有影响，最终将导致激光器输出混沌状态不稳定。并且偏置电流对激光器进入混沌的路径以及输出的混沌信号状态都有重要的影响，因此对混沌激光器进行高精度温度控制和直流驱动控制十分重要。

目前，现有激光器的温控源与驱动源控制精度较低，无法满足混沌激光器稳定运行的要求；体积较大且价格昂贵如Semicon公司的LCM-6000温度控制精度为0.01℃，但是体积较大，不利于系统集成化。基于此，有必要发明一种全新的混沌激光器的温度与驱动控制系统，以解决现有混沌激光器温控源与驱动源存在的上述问题。

发明内容

本发明为解决现有激光器温控源与驱动源存在的精度控制低以及价格昂贵、体积大不利于系统集成化的问题，提出了一种激光器高精度温控与驱动电路系统。

本发明是采用如下技术方案实现的：一种激光器的高精度温控与驱动电路系统，包括按键控制模块、与按键控制模块信号输出端相连接的STM32、与STM32信号输出端相连接的双通道的数字电位计；还包括电阻R ₀、R ₂、预设电阻R ₁以及参考电阻R ₄；数字电位计的第一通道的输出电阻R ₃、激光器的热敏电阻R _th、参考电阻R ₄、以及电阻R ₀、R ₁、R ₂共同构成惠斯通电桥网络，作为等效的惠斯通电桥温度采集、转化电路，其中电阻R ₂、R ₀、R ₁顺次串接，R ₄的一端与R ₁相连接，R ₄的另一端与R _th的输出端相连接；R ₃的输出端连接在R ₂和R ₀之间；R ₂的一端与R ₀连接，R ₂的另一端接地；还包括高控温精度的ADN8830芯片、基于RC的PID温度补偿网络、TEC控制与功率放大电路；ADN8830芯片的THERMIN端为测温输入端，与激光器热敏电阻R _th输出端相连接，R ₀与R ₁相连接的一端作为输出端与ADN8830芯片的TEMPSET端连接，R ₁与R ₄相连接的一端作为输出端与ADN8830芯片的VREF端连接；PID温度补偿网络输出端与ADN8830的TEMPCTL端、COMPFB端、COMPOUT端双向连接，ADN8830的输出端与TEC控制与功率放大电路输入端单向连接，TEC控制与功率放大电路输出端与激光器TEC的输入端相连接；所述ADN8830芯片、等效的惠斯通电桥温度采集、转化电路、基于RC的PID温度补偿网络、TEC控制与功率放大电路共同构成温度控制模块；

还包括ADN2830芯片以及与数字电位计第二通道输出电阻并联的并联电阻；数字电位计和并联电阻的输出端共同与ADN2830的输入端单向连接，ADN2830的输出端与激光器芯片的输入端单向连接；ADN2830芯片、数字电位计第二通道输出电阻、并联电阻共同构成直流控制模块。

具体工作过程如下：由于激光器内部采用负温度系数(NTC)的热敏电阻，即随着外界温度升高，热敏电阻阻值减小。所以当激光器温度需要增高时，按键控制触发单片机，使数字电位计第一通道的输出电阻值减小。由于电桥平衡原理，此时激光器温度升高，热敏电阻阻值变小，惠斯通电桥重新达到平衡状态。其中电阻R ₀决定激光器的目标温度范围，电阻R ₂、R ₃决定温度调节的精度，等效电阻R与R ₄、R ₁、R _th组成惠斯通电桥网络，电桥平衡时激光器达到目标温度值。温度降低时则反之。

进一步的，温度控制模块中，利用PID算法，设计温度补偿网络，调节TEC的响应时间以及温度控制系统的稳定性。采用互补输出型的FDW2520芯片增强电路的驱动能力。设计FDW2520功率放大电路为PWM输出和线性输出两种工作模式。其中线性输出工作模式减少H桥功率损耗，PWM输出工作模式提高控制精度。线性输出工作模式下FDW2520分别与ADN8830的OUTB端、N2端、P2端相连；PWM输出工作模式下FDW2520分别与ADN8830的OUTA端、N1端、P1端相连。PWM输出工作模式中需要对TEC两端的脉冲电流进行滤波，故在PWM输出端设计LC滤波网络。LC滤波网络主要考虑三个因素：通过电感的额定电流、滤波输出的纹波系数和PWM的开关频率。ADN8830为温度控制芯片，其工作电压是3.3V，开关频率选取为1MHz。综合考虑以上因素，该发明中电感值为4.7μH。滤波电路的阻尼系数必须大于0.05，所以由通过计算得电容大小为22μF，此时回路的阻尼系数为0.092，可以保证TEC建立时间的合理性。R _TEC表示激光器内部制冷片TEC的电阻值，ζ为阻尼系数。

当需要增大驱动电流时，由欧姆定律得，减小电阻值，从而实现驱动电流增大。此时单片机控制数字电位计第二通道的输出电阻值减小，增大驱动电流。同理驱动电流减小时则反之。因此系统最终实现温度、驱动电流可调节输出的目标。

基于上述过程，与现有的激光器温控源与驱动源相比，本发明所述的一种激光器的高精度温控与驱动电路系统设计具有如下优点：其一，本发明所述的一种激光器的高精度温控与驱动电路系统具有较高的控制精度。实验验证，电路系统温度控制精度可达0.01℃，电流控制精度可达0.01mA，两者的控制精度均达到了领先水平，完全满足混沌激光器稳定运行的要求。其二，本发明所述的一种激光器的高精度温控与驱动电路系统由于采用双通道的数字电位计，实现了温度与驱动电流互不影响、独立控制，最终实现小型化和集成化。

本发明有效解决了现有激光器温控源与驱动源控制精度低，体积大、成本高等问题，适用于对激光器进行高精度与集成化控制的领域中。

附图说明

图1是本发明的系统原理示意图。

图2是本发明的高精度温控采集、控制原理图。

具体实施方式

一种激光器的高精度温控与驱动电路系统，包括按键控制模块、与按键控制模块信号输出端相连接的STM32、与STM32信号输出端相连接的双通道的数字电位计；还包括电阻R ₀、R ₂、预设电阻R ₁以及参考电阻R ₄；数字电位计的第一通道的输出电阻R ₃、激光器的热敏电阻R _th、参考电阻R ₄、以及电阻R ₀、R ₁、R ₂共同构成惠斯通电桥网络，作为等效的惠斯通电桥温度采集、转化电路，其中电阻R ₂、R ₀、R ₁顺次串接，R ₄的一端与R ₁相连接，R ₄的另一端与R _th的输出端相连接（R _th另一端接地）；R ₃的输出端连接在R ₂和R ₀之间；R ₂的一端与R ₀连接，R ₂的另一端接地；还包括高控温精度的ADN8830芯片、基于RC的PID温度补偿网络、TEC控制与功率放大电路；ADN8830芯片的THERMIN端为测温输入端，与激光器热敏电阻R _th输出端相连接，R ₀与R ₁相连接的一端作为输出端与ADN8830芯片的TEMPSET端连接，R ₁与R ₄相连接的一端作为输出端与ADN8830芯片的VREF端连接；PID温度补偿网络输出端与ADN8830的TEMPCTL端、COMPFB端、COMPOUT端双向连接，ADN8830的输出端与TEC控制与功率放大电路输入端单向连接，TEC控制与功率放大电路输出端与激光器TEC的输入端相连接；所述ADN8830芯片、等效的惠斯通电桥温度采集、转化电路、基于RC的PID温度补偿网络、TEC控制与功率放大电路共同构成温度控制模块；

还包括ADN2830芯片以及与数字电位计第二通道输出电阻并联的并联电阻；数字电位计和并联电阻的输出端共同与ADN2830的输入端单向连接，ADN2830的输出端与激光器芯片的输入端单向连接；ADN2830芯片、数字电位计第二通道输出电阻、并联电阻共同构成直流控制模块。所述温度补偿网络、LC滤波网络均采用现有公知的结构。

所述温度控制模块中的电阻R _th、R ₂、R ₃、R ₀、R ₄以及R ₁均采用0.3%的高精度、高热稳定性的精密电阻；并联电阻也采用0.3%的高精度、高热稳定性的精密电阻。

所述一种激光器的高精度温控与驱动电路系统原理框图如图1所示。整个系统由按键控制、STM32控制系统、驱动控制和温度控制四个部分构成。按键控制触发单片机的外部中断函数，单片机判断外部中断函数类型并做出相应的措施，增大或减小数字电位计AD5172通道1或2的输出电阻值，从而实现改变驱动模块的驱动电流和温度控制模块的工作温度。

具体实施时，所述一种激光器的高精度温控与驱动电路系统温度控制电路通过一个惠斯通电桥电阻网络将激光器的热敏电阻（R _th）、数字电位计AD5172通道1的输出电阻R ₃、预设温度电阻R ₁以及参考电阻R ₄连接至温度控制芯片ADN8830。系统通过改变数字电位计AD5172通道1的输出电阻实现对激光器温度控制目的。为了实现高精度的温度控制目标，通过下式减小数字电位计的步进值，其对应的激光器的热敏电阻的变化步进同样减小。同时利用PID算法，设计高效的温度补偿网络，提高系统对激光器温度控制的精确度与稳定度。最后设计功率放大电路，增大激光器内部TEC制冷与制热效率，最终实现高精度的温度控制。驱动控制电路通过改变数字电位计AD5172第二通道的输出电阻值，从而改变注入激光器电流值的大小，最终实现激光器驱动电流可调节输出的目的。同时设计并联电阻电路，减小等效电阻的步进值，提高驱动电路的调节精度。

本发明有效的解决了驱动电流的微小波动对单片集成混沌激光器进入混沌的路径以及输出的混沌信号状态的影响以及因温度的微小波动对混沌激光器波长和阈值电流的影响等问题。

Claims

1.一种激光器的高精度温控与驱动电路系统，其特征在于：包括按键控制模块、与按键控制模块信号输出端相连接的STM32、与STM32信号输出端相连接的双通道的数字电位计；还包括电阻R ₀、R ₂、预设电阻R ₁以及参考电阻R ₄；数字电位计的第一通道的输出电阻R ₃、激光器的热敏电阻R _th、参考电阻R ₄、以及电阻R ₀、R ₁、R ₂共同构成惠斯通电桥网络，作为等效的惠斯通电桥温度采集、转化电路，其中电阻R ₂、R ₀、R ₁顺次串接，R ₄的一端与R ₁相连接，R ₄的另一端与R _th的输出端相连接；R ₃的输出端连接在R ₂和R ₀之间；R ₂的一端与R ₀连接，R ₂的另一端接地；还包括高控温精度的ADN8830芯片、基于RC的PID温度补偿网络、TEC控制与功率放大电路；ADN8830芯片的THERMIN端为测温输入端，与激光器热敏电阻R _th输出端相连接，R ₀与R ₁相连接的一端作为输出端与ADN8830芯片的TEMPSET端连接，R ₁与R ₄相连接的一端作为输出端与ADN8830芯片的VREF端连接；PID温度补偿网络输出端与ADN8830的TEMPCTL端、COMPFB端、COMPOUT端双向连接，ADN8830的输出端与TEC控制与功率放大电路输入端单向连接，TEC控制与功率放大电路输出端与激光器TEC的输入端相连接；所述ADN8830芯片、等效的惠斯通电桥温度采集、转化电路、基于RC的PID温度补偿网络、TEC控制与功率放大电路共同构成温度控制模块；

2.根据权利要求1所述的一种激光器的高精度温控与驱动电路系统，其特征在于：所述温度控制模块中温度补偿网络利用PID算法设计硬件RC电路，调节TEC的响应时间以及温度控制系统的稳定性；TEC控制与功率放大电路采用互补输出型的一对FDW2520芯片以增强电路的驱动能力；设计FDW2520功率放大电路为PWM输出和线性输出两种工作模式；线性输出工作模式减少H桥功率损耗，PWM输出工作模式提高控制精度；线性输出工作模式下FDW2520分别与ADN8830的OUTB端、N2端、P2端相连；PWM输出工作模式下FDW2520分别与ADN8830的OUTA端、N1端、P1端相连。

3.根据权利要求1或2所述的一种激光器的高精度温控与驱动电路系统，其特征在于：所述温度控制模块中的电阻R _th、R ₂、R ₃、R ₀、R ₄以及R ₁均采用0.3%的高精度、高热稳定性的精密电阻；并联电阻也采用0.3%的高精度、高热稳定性的精密电阻。