CN110380334A - 一种基于tdlas的带保护的激光器驱动电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于TDLAS的带保护的激光器驱动电路，包括直流偏置信号发生电路、低频扫描信号发生电路、高频载波信号发生电路、信号叠加电路和激光器驱动电路；还包括激光器保护电路，激光器保护电路包括激光器限流保护电路、激光器并联保护电路和激光器电源软启动保护电路；激光器限流保护电路，用于激光器的过流保护；激光器并联保护电路，用于激光器的故障保护；激光器电源软启动保护电路，用于激光器电源的软启动。本发明通过设置保护电路来实现激光器稳定可靠的性能，以延长其使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于TDLAS领域，具体涉及一种基于TDLAS的带保护的激光器驱动电路。
背景技术
TDLAS是Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy的简称，即可调谐激光二极管吸收光谱技术；该技术主要是利用可调谐半导体激光器的窄线宽和波长随注入电流改变的特性实现对分子的单个或几个距离很近很难分辨的吸收线进行测量。由于激光二极管很容易受到基于电子的、热的和功率机理的损坏，因此在对激光器进行驱动电路设计时，保护措施必不可少。
现有的在线仪表中的激光驱动电路结构复杂，激光保护措施不充分，较易造成激光器的损坏。
发明内容
本发明的目的在于针对上述存在的问题和不足，提出一种基于TDLAS的带保护的激光器驱动电路，通过设置保护电路来实现激光器稳定可靠的性能，以延长其使用寿命。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于TDLAS的带保护的激光器驱动电路，包括直流偏置信号发生电路、低频扫描信号发生电路、高频载波信号发生电路、信号叠加电路和激光器驱动电路，直流偏置信号发生电路、低频扫描信号发生电路和高频载波信号发生电路的输出分别连接至信号叠加电路的输入，信号叠加电路输出驱动电压信号至激光器驱动电路，激光器驱动电路输出驱动电流信号以驱动激光器；其特征在于：还包括激光器保护电路，激光器保护电路包括激光器限流保护电路、激光器并联保护电路和激光器电源软启动保护电路；激光器限流保护电路，用于激光器的过流保护；激光器并联保护电路，用于激光器的故障保护；激光器电源软启动保护电路，用于激光器电源的软启动。
进一步地完善上述技术方案，激光器驱动电路包括运算放大器U10、电阻R22、电阻R23、二极管D7和开关管Q4；信号叠加电路输出的驱动电压信号Vdriver连接至运算放大器U10的同相输入端，运算放大器U10的输出端连接电阻R22的一端和二极管D7的负极，电阻R22的另一端和二极管D7的正极分别连接至开关管Q4的栅极，开关管Q4的源极分别连接运算放大器U10的反相输入端和电阻R23的一端，电阻R23的另一端接地，开关管Q4的漏极输出驱动电流信号Idriver。
进一步地，激光器限流保护电路包括三极管Q2、三极管Q3、电阻R18、电阻R20和电阻R21；激光器驱动电路输出的驱动电流信号Idriver连接至三极管Q3的漏极，三极管Q3的基极连接电阻R20的一端，电阻R20的另一端连接三极管Q2的集电极和电阻R21的一端，电阻R21的另一端接地，三极管Q3的发射极与三极管Q2的基极连接；电阻R18设置在三极管Q2的基极和发射极之间，三极管Q2的发射极输出即为激光器电源电压。
进一步地，激光器并联保护电路包括与激光器D5并联连接的二极管D6、电阻R19、电容C23和继电器LS1；二极管D6反向并联在激光器D5的两端，用于防止流过激光器的反向电流；电阻R19和电容C23组成滤波电路，用于防止激光器两端电压的瞬变；继电器LS1的常闭触点和公共触点并联连接在激光器D5的两端，用于为激光器提供短路保护。
进一步地，激光器电源软启动保护电路包括低压差线性稳压器U1、三极管Q1、TVS管V2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C5、电容C6和发光二极管D4；
低压差线性稳压器U1的IN端连接电源接口J1，低压差线性稳压器U1的ADJ端串联电阻R4接地，电容C5并联在电阻R4的两端；低压差线性稳压器U1的OUT1端和OUT2端并联连接；电阻R1设置在低压差线性稳压器U1的OUT1端与三极管Q1的发射极之间，电阻R3设置在三极管Q1的基极与发射极之间，电容C6的正极连接三极管Q1的基极，电容C6的负极接地；三极管Q1的发射极连接低压差线性稳压器U1的ADJ端；TVS管U2的正极接地，TVS管U2的负极连接低压差线性稳压器U1的OUT1端；低压差线性稳压器U1的OUT1端串联连接电阻R2和发光二极管D4后接地，低压差线性稳压器U1的OUT1端为激光器电源电压。
进一步地，还包括滤波电容C1、C2、C3和C4；电容C1和C2并联连接，设置在低压差线性稳压器U1的IN端与接地端之间；电容C3和C4并联连接，设置在低压差线性稳压器U1的OUT1端与接地端之间。
进一步地，还包括二极管D1、D2和D3，二极管D1的正极连接低压差线性稳压器U1的OUT1端，二极管D1的负极连接低压差线性稳压器U1的IN端；二极管D2的正极连接三极管Q1的发射极，二极管D2的负极连接低压差线性稳压器U1的OUT1端；二极管D3的正极连接三极管Q1的基极，二极管D3的负极连接低压差线性稳压器U1的OUT1端。
本发明的有益效果：本发明采用激光器限流保护电路、激光器并联保护电路和激光器电源软启动保护电路分别实现激光器的过流保护、故障保护和电源的软启动，过流保护电路避免流过激光器的电流过大而烧坏激光器；故障保护电路用于实现激光器的反向电流保护和短路保护，避免电路故障造成激光器的损坏；软启动电路使得激光器电源缓慢上升，防止电源的瞬变影响激光器的使用寿命；因此，本发明具有结构简单、性能稳定可靠、易于在线应用、使用寿命长等优点。
附图说明
图1为本发明的结构框图；
图2为图1中直流偏置信号发生电路的电路图；
图3为图1中低频扫描信号发生电路的电路图；
图4为图1中高频载波信号发生电路的电路图；
图5为图1中信号叠加电路的电路图；
图6为图1中激光器驱动电路的电路图；
图7为图1中激光器限流保护电路的电路图；
图8为图1中激光器并联保护电路的电路图；
图9为图1中激光器电源软启动保护电路的电路图。
具体实施方式
为使本发明的内容更加清楚，下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件的表示和描述。
实施例1：
本发明提供的一种基于TDLAS的带保护的激光器驱动电路，如图1所示，包括直流偏置信号发生电路、低频扫描信号发生电路、高频载波信号发生电路、信号叠加电路和激光器驱动电路，直流偏置信号发生电路、低频扫描信号发生电路和高频载波信号发生电路的输出分别连接至信号叠加电路的输入，信号叠加电路输出驱动电压信号至激光器驱动电路，激光器驱动电路输出驱动电流信号以驱动激光器；还包括激光器保护电路，激光器保护电路包括激光器限流保护电路、激光器并联保护电路和激光器电源软启动保护电路；激光器限流保护电路，用于激光器的过流保护；激光器并联保护电路，用于激光器的故障保护；激光器电源软启动保护电路，用于激光器电源的软启动。
如图2所示，直流偏置信号发生电路采用运算放大器U8A构成，用于输出直流电压信号Vbias。其工作原理为：通过将基准电压源Vref经过分压后进运算放大器U8A放大一定倍数输出直流电平来偏移信号位置。
如图3所示，低频扫描信号发生电路采用DAC8830ID芯片U4构成，用于输出低频锯齿波信号Vsawtooth。其工作原理为：采用MCU与DAC芯片通过SPI通信连接，通过MCU的SPI操作其寄存器来改变输出锯齿波电压；同时，在DAC芯片的输出设置电压跟随器以稳定输出。
如图4所示，高频载波信号发生电路包括外部时钟电路U7和型号为AD9833BRMZ的DDS芯片U5，用于输出高频正弦波信号Vsin。其工作原理为：采用MCU与DDS芯片通过SPI通信连接，使其输出频率和相位可调的正弦波信号；同时，在DDS芯片的输出设置电压跟随器以稳定输出。
如图5所示，信号叠加电路采用运算放大器U9A构成加法器，用于将3路信号发生电路产生的直流电压信号Vbias、低频锯齿波信号Vsawtooth和高频正弦波信号Vsin叠加后输出驱动电压信号Vdriver；在运算放大器U9A的输出设置电压跟随器以稳定输出。
如图6所示，激光器驱动电路包括运算放大器U10、电阻R22、电阻R23、二极管D7和开关管Q4；信号叠加电路输出的驱动电压信号Vdriver连接至运算放大器U10的同相输入端，运算放大器U10的输出端连接电阻R22的一端和二极管D7的负极，电阻R22的另一端和二极管D7的正极分别连接至开关管Q4的栅极，开关管Q4的源极分别连接运算放大器U10的反相输入端和电阻R23的一端，电阻R23的另一端接地；开关管Q4的漏极输出驱动电流信号Idriver。其工作原理为：激光器驱动电压信号Vdriver比上电阻R23得到驱动电流信号；实际项目中，激光器的阈值电流约为50mA，中心波长对应电流约为80mA，扫描电流范围为65mA～95mA；电阻R23参数为5.1Ω/1W，激光器驱动电压信号Vdriver的实际输入范围为331.5mV～484.5mV。
如图7所示，激光器限流保护电路包括三极管Q2、三极管Q3、电阻R18、电阻R20和电阻R21；激光器驱动电路输出的驱动电流信号连接至三极管Q3的漏极，三极管Q3的基极连接电阻R20的一端，电阻R20的另一端连接三极管Q2的集电极和电阻R21的一端，电阻R21的另一端接地，三极管Q3的发射极与三极管Q2的基极连接；电阻R18设置在三极管Q2的基极和发射极之间，三极管Q2的发射极输出即为激光器电源电压Vlaser。其工作原理为：三极管Q2的基极-发射极饱和压降Vbe比上电阻R18得到限流值，当流过电阻R18的电流值大于限流值时(即激光器驱动电路输出的驱动电流信号Idriver大于限流值)，三极管Q2导通，三极管Q3截止，从而起到限流的作用。实际项目中，三极管Q2的基极-发射极饱和压降Vbe的值为0.68V，激光器电流的上限为150mA，选取电阻R18的参数为5.1Ω/1W，则激光器实际限流值为133mA。
如图8所示，激光器并联保护电路包括与激光器D5并联连接的二极管D6、电阻R19、电容C23和继电器LS1；二极管D6反向并联在激光器D5的两端，用于防止流过激光器的反向电流；电阻R19和电容C23组成滤波电路，用于防止激光器两端电压的瞬变；继电器LS1的常闭触点和公共触点并联连接在激光器D5的两端，用于为激光器提供短路保护，可以有效降低静电危害。
如图9所示，激光器电源软启动保护电路包括低压差线性稳压器U1、三极管Q1、TVS管U2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C5、电容C6和发光二极管D4；
低压差线性稳压器U1的IN端连接电源接口J1，低压差线性稳压器U1的ADJ端串联电阻R4接地，电容C5并联在电阻R4的两端；低压差线性稳压器U1的OUT1端和OUT2端并联连接；电阻R1设置在低压差线性稳压器U1的OUT1端与三极管Q1的发射极之间，电阻R3设置在三极管Q1的基极与发射极之间，电容C6的正极连接三极管Q1的基极，电容C6的负极接地；三极管Q1的发射极连接低压差线性稳压器U1的ADJ端；TVS管U2的正极接地，TVS管U2的负极连接低压差线性稳压器U1的OUT1端；低压差线性稳压器U1的OUT1端串联连接电阻R2和发光二极管D4后接地，低压差线性稳压器U1的OUT1端为激光器电源电压。
还包括滤波电容C1、C2、C3和C4；电容C1和C2并联连接，设置在低压差线性稳压器U1的IN端与接地端之间；电容C3和C4并联连接，设置在低压差线性稳压器U1的OUT1端与接地端之间。
还包括二极管D1、D2和D3，二极管D1的正极连接低压差线性稳压器U1的OUT1端，二极管D1的负极连接低压差线性稳压器U1的IN端；二极管D2的正极连接三极管Q1的发射极，二极管D2的负极连接低压差线性稳压器U1的OUT1端；二极管D3的正极连接三极管Q1的基极，二极管D3的负极连接低压差线性稳压器U1的OUT1端。
其工作原理为：电容C1、电容C2和电容C3、电容C4分别为低压差线性稳压器U1的输入滤波电容和输出滤波电容；二极管D1、二极管D2和二极管D3起反向保护作用；TVS管U2可以有效抑制浪涌电压；发光二极管D4为激光器电源指示灯，电阻R2为发光二极管D4的限流电阻；电阻R1和电阻R4的阻值大小决定激光器电源电压Vlaser的大小。三极管Q1、电容C6、电阻R3和低压差线性稳压器U1构成电源软启动单元，刚上电时，由于电容C6两端电压不能突变，故其两端电压为0，三极管Q1导通，低压差线性稳压器U1初始输出电压约为1.23V；随着时间推移，电容C6通过电阻R3进行充电，三极管Q1逐渐退出饱和区，低压差线性稳压器U1输出电压逐渐增大，最终三极管Q1截止，输出电压趋于稳定，约为12V，软启动时间由电容C6和电阻R3的大小决定。
以上仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.一种基于TDLAS的带保护的激光器驱动电路，包括直流偏置信号发生电路、低频扫描信号发生电路、高频载波信号发生电路、信号叠加电路和激光器驱动电路，直流偏置信号发生电路、低频扫描信号发生电路和高频载波信号发生电路的输出分别连接至信号叠加电路的输入，信号叠加电路输出驱动电压信号至激光器驱动电路，激光器驱动电路输出驱动电流信号以驱动激光器；其特征在于：还包括激光器保护电路，激光器保护电路包括激光器限流保护电路、激光器并联保护电路和激光器电源软启动保护电路；激光器限流保护电路，用于激光器的过流保护；激光器并联保护电路，用于激光器的故障保护；激光器电源软启动保护电路，用于激光器电源的软启动。
2.根据权利要求1所述的基于TDLAS的带保护的激光器驱动电路，其特征在于：激光器驱动电路包括运算放大器U10、电阻R22、电阻R23、二极管D7和开关管Q4；信号叠加电路输出的驱动电压信号Vdriver连接至运算放大器U10的同相输入端，运算放大器U10的输出端连接电阻R22的一端和二极管D7的负极，电阻R22的另一端和二极管D7的正极分别连接至开关管Q4的栅极，开关管Q4的源极分别连接运算放大器U10的反相输入端和电阻R23的一端，电阻R23的另一端接地，开关管Q4的漏极输出驱动电流信号Idriver。
3.根据权利要求1所述的基于TDLAS的带保护的激光器驱动电路，其特征在于：激光器限流保护电路包括三极管Q2、三极管Q3、电阻R18、电阻R20和电阻R21；激光器驱动电路输出的驱动电流信号Idriver连接至三极管Q3的漏极，三极管Q3的基极连接电阻R20的一端，电阻R20的另一端连接三极管Q2的集电极和电阻R21的一端，电阻R21的另一端接地，三极管Q3的发射极与三极管Q2的基极连接；电阻R18设置在三极管Q2的基极和发射极之间，三极管Q2的发射极输出即为激光器电源电压。
4.根据权利要求1所述的基于TDLAS的带保护的激光器驱动电路，其特征在于：激光器并联保护电路包括与激光器D5并联连接的二极管D6、电阻R19、电容C23和继电器LS1；二极管D6反向并联在激光器D5的两端，用于防止流过激光器的反向电流；电阻R19和电容C23组成滤波电路，用于防止激光器两端电压的瞬变；继电器LS1的常闭触点和公共触点并联连接在激光器D5的两端，用于为激光器提供短路保护。
5.根据权利要求1所述的基于TDLAS的带保护的激光器驱动电路，其特征在于：激光器电源软启动保护电路包括低压差线性稳压器U1、三极管Q1、TVS管V2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C5、电容C6和发光二极管D4；
低压差线性稳压器U1的IN端连接电源接口J1，低压差线性稳压器U1的ADJ端串联电阻R4接地，电容C5并联在电阻R4的两端；低压差线性稳压器U1的OUT1端和OUT2端并联连接；电阻R1设置在低压差线性稳压器U1的OUT1端与三极管Q1的发射极之间，电阻R3设置在三极管Q1的基极与发射极之间，电容C6的正极连接三极管Q1的基极，电容C6的负极接地；三极管Q1的发射极连接低压差线性稳压器U1的ADJ端；TVS管U2的正极接地，TVS管U2的负极连接低压差线性稳压器U1的OUT1端；低压差线性稳压器U1的OUT1端串联连接电阻R2和发光二极管D4后接地，低压差线性稳压器U1的OUT1端为激光器电源电压。
6.根据权利要求5所述的基于TDLAS的带保护的激光器驱动电路，其特征在于：还包括滤波电容C1、C2、C3和C4；电容C1和C2并联连接，设置在低压差线性稳压器U1的IN端与接地端之间；电容C3和C4并联连接，设置在低压差线性稳压器U1的OUT1端与接地端之间。
7.根据权利要求5所述的基于TDLAS的带保护的激光器驱动电路，其特征在于：还包括二极管D1、D2和D3，二极管D1的正极连接低压差线性稳压器U1的OUT1端，二极管D1的负极连接低压差线性稳压器U1的IN端；二极管D2的正极连接三极管Q1的发射极，二极管D2的负极连接低压差线性稳压器U1的OUT1端；二极管D3的正极连接三极管Q1的基极，二极管D3的负极连接低压差线性稳压器U1的OUT1端。
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