CN211017736U - 一种电流驱动电路及激光器波长控制电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电流驱动电路及激光器波长控制电路，激光器波长控制电路包括单片机、温度控制模块、激光器以及电流驱动电路，所述单片机分别与所述温度控制模块以及电流驱动电路连接，所述温度控制模块以及电流驱动电路均与激光器连接；所述电流驱动电路包括电容C7、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、运算放大器A4以及三极管Q3，所述电容C7的一端接单片机内置的DAC模块的电压输出端，所述电容C7的另一端接地，电阻R11的一端接电容C7的另一端，电阻R11的另一端分别接运算放大器A4的第四引脚以及激光器的负极，本实用新型的优点在于：对激光器的波长实现较为精确的控制。

Description

一种电流驱动电路及激光器波长控制电路

技术领域

本实用新型涉及激光器波长控制领域，更具体涉及一种电流驱动电路及激光器波长控制电路。

背景技术

近年来，可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)遥测甲烷浓度系统得到了广泛的应用。在甲烷遥测系统中，为了使可调谐半导体激光器(DFB)的输出中心波长与甲烷气体的吸收峰对准，可调谐半导体激光器的波长的精准控制对气体浓度的精确测量起着关键的作用，在精确控制激光器输出特定波长的同时，还要使其保持非常稳定的状态而不发生波长漂移，其次是如何准确地在极小的幅度下进行波长之间的切换。针对第一个问题，可以使用传统的温度补偿，激光器稳定电路等方法。而要解决切换波长稳定性的问题，首先需要能够准确地探测到波长值，并且让其稳定。在波长切换过程中，电流的改变将会引发激光器的热致波长漂移和一些模式瞬态效应，这样将造成信号严重的串扰，导致激光器输出波长存在波动，波长不能够精确控制。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于如何提供一种较为精确的、信号串扰较小的电流驱动电路及激光器波长控制电路。

本实用新型通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种电流驱动电路，所述电流驱动电路包括电容C7、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、运算放大器A4以及三极管Q3，所述电容C7的一端接单片机内置的DAC模块的电压输出端，所述电容C7的另一端接地，电阻R11的一端接电容C7的另一端，电阻R11的另一端分别接运算放大器A4的第四引脚以及激光器的负极，所述电阻R12的一端接电阻R11的一端，电阻R12的另一端接电容C7的一端，电阻R13的一端接电阻R12的另一端，电阻R13的另一端接运算放大器A4的第三引脚，运算放大器A4的第五引脚接电源V+，运算放大器A4的第二引脚接电源V-，运算放大器A4的第一引脚接电阻R14的一端，电阻R14的另一端接三极管Q3的基极，三极管Q3的基极接电源V1，三极管Q3的集电极接激光器的正极。

本实用新型的电流驱动电路利用单片机输出调制电压从而驱动三极管Q3基极得到调制的发射极电流，单片机采用片内12位DAC电压输出，从而可以达到1.2mV电压分辨率，同时通过调节接地电阻R11，恒电流输出分辨率最小可以为μA级别，从而可以在极小的幅度下对波长进行非常精确的控制。

本实用新型还提供一种激光器波长控制电路，包括单片机、温度控制模块、激光器以及电流驱动电路，该电流驱动电路为权利要求1所述的电流驱动电路，所述单片机分别与所述温度控制模块以及电流驱动电路连接，所述温度控制模块以及电流驱动电路均与激光器连接。

本实用新型采用温度控制模块使得激光器恒定在一定温度下，通过调节温度控制模块来改变激光器内部热敏电阻的阻值从而实现波长的粗调。然后利用单片机输出调制电压从而驱动三极管Q3基极得到调制的发射极电流，单片机采用片内12位DAC电压输出，从而可以达到1.2mV电压分辨率，同时通过调节接地电阻R11，恒电流输出分辨率最小可以为μA级别，从而可以在极小的幅度下对波长进行非常精确的控制。

优选的，所述温度控制模块包括监控单元、配置单元和温度反馈单元，所述激光器包括内置的热敏电阻，所述单片机分别与配置单元以及温度反馈单元连接，所述监控单元与配置单元连接，所述配置单元与温度反馈单元连接，温度反馈单元与激光器内置的热敏电阻连接，

优选的，所述激光器内部集成了制冷片，所述制冷片与所述配置单元连接。

优选的，所述监控单元包括电阻R3、电阻R4、电阻R2、电容C1、运算放大器A1、运算放大器A2、二极管D1、二极管D2、三极管Q1、三极管Q2、电阻R1以及比较器U1，所述电阻R3的一端接电阻R4的一端，电阻R4的另一端接电容C1的一端，电容C1的另一端接地；电容C1的一端接电阻R2的一端，电阻R2的另一端接运算放大器A2的同相端；电阻R3的另一端接运算放大器A1的同相端，运算放大器A1的反相端接三极管Q2的集电极，运算放大器A2的反相端接三极管Q1的集电极，运算放大器A1的电源正端以及运算放大器A2的电源正端均接电源V+，运算放大器A1的电源负端和运算放大器A2的电源负端均接电源V-；运算放大器A1的输出端接二极管D1的正极，二极管D1的负极接三极管Q1的基极，运算放大器A2的输出端接二极管D2的正极，二极管D2的负极接三极管Q2的基极；三极管Q1的发射极接三极管Q2的发射极，电阻R1的一端接三极管Q1的发射极，另一端接ADC采集模块；比较器U1的反相端接运算放大器A1的输出端，比较器U1的同相端接运算放大器A2的输出端，比较器U1的电源正端接电源V+，比较器U1的电源负端接电源V-。

优选的，所述配置单元包括第一可调电阻器U2、电阻R5、TEC控制器U4以及电容C6，所述第一可调电阻器U2的第四引脚接地，第一可调电阻器U2的第八引脚接电源V1，第一可调电阻器U2的第六引脚接TEC控制器U4的引脚MAXIN，第一可调电阻器U2的第五引脚接TEC控制器U4的引脚MAXV，电阻R5的一端接第一可调电阻器U2的第五引脚，电阻R5的另一端接地；TEC控制器U4的引脚MAXIN和引脚MAXIP以及引脚VREF均接参考电源VREF；TEC控制器U4的引脚VDD接电源V1，TEC控制器U4的引脚GND接地，TEC控制器U4的引脚ITEC接电阻R3的一端；TEC控制器U4的引脚LXP接制冷片的正极和TEC控制器U4的引脚LXN接制冷片的负极，所述制冷片为激光器内部集成的制冷片，TEC控制器U4的引脚COMP接电容C6的一端，电容C6的另一端接地。

优选的，所述温度反馈单元包括第二可调电阻器U3、电阻R9、电阻R8、热敏电阻RT1、电阻R10、电容C5、运算放大器A3、电容C2、电阻R7、电容C3、电阻R6以及电容C4，所述热敏电阻RT1为激光器中内置的热敏电阻，所述第二可调电阻器U3的第八引脚接电源V1，第二可调电阻器U3的第六引脚接电阻R9的一端并接参考电源VREF，电阻R9的另一端接电阻R8的一端，电阻R8的另一端接运算放大器A3的反相端，第二可调电阻器U3的第五引脚接电容C5的一端，电容C5的另一端接地，电容C5的一端接热敏电阻RT1的一端，热敏电阻RT1的另一端接地，热敏电阻RT1的一端接运算放大器A3的同相端，电阻R10的一端接电阻R8的一端，电阻R10的另一端接地；运算放大器A3的电源正端接电源V+，运算放大器A3的电源负端接电源V-；运算放大器A3的反相端接电容C2的一端，电容C2的另一端接电阻R7的一端，电阻R7的另一端接TEC控制器U4的引脚CTLI，电容C2的一端接电阻R6的一端，电阻R6的另一端接电容C4的一端，电容C4的另一端接地，电容C3的一端接运算放大器A3的输出端，电容C3的另一端接电阻R6的一端。

优选的，所述单片机的第十引脚接所述比较器U1的输出端，所述单片机的第五十九引脚、第六十引脚以及第六十一引脚分别接所述第一可调电阻器U2的第一引脚、第二引脚以及第三引脚，单片机的第三十三引脚接TEC控制器U4的引脚，单片机的第三十六引脚、第三十四引脚以及第三十五引脚分别接所述第二可调电阻器U3的第一引脚、第二引脚以及第三引脚。

优选的，所述单片机的型号为STM32L452RET6。

本实用新型的优点在于：本实用新型采用温度控制模块使得激光器恒定在一定温度下，通过调节温度控制模块来改变激光器内部热敏电阻的阻值从而实现波长的粗调。然后利用单片机输出调制电压从而驱动三极管Q3基极得到调制的发射极电流，单片机采用片内12位DAC电压输出，从而可以达到1.2mV电压分辨率，同时通过调节接地电阻R11，恒电流输出分辨率最小可以为μA级别，从而可以在极小的幅度下对波长进行非常精确的控制。

附图说明

图1为本实用新型实施例所公开的一种电流驱动电路的电路原理图；

图2为本实用新型实施例所公开的一种激光器波长控制电路的框图；

图3为本实用新型实施例所公开的一种激光器波长控制电路中的温度控制模块与单片机以及激光器的连接框图；

图4为本实用新型实施例所公开的一种激光器波长控制电路中监控单元的原理图；

图5为本实用新型实施例所公开的一种激光器波长控制电路中配置单元的原理图；

图6为本实用新型实施例所公开的一种激光器波长控制电路中温度反馈单元的原理图；

图7为本实用新型实施例所公开的一种激光器波长控制电路中主控芯片的原理图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，所述电流驱动电路包括电容C7、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、运算放大器A4以及三极管Q3，所述电容C7的一端接单片机内置的DAC模块的电压输出端，所述电容C7的另一端接地，电阻R11的一端接电容C7的另一端，电阻R11的另一端分别接运算放大器A4的第四引脚以及激光器的负极，所述电阻R12的一端接电阻R11的一端，电阻R12的另一端接电容C7的一端，电阻R13的一端接电阻R12的另一端，电阻R13的另一端接运算放大器A4的第三引脚，运算放大器A4的第五引脚接电源V+，运算放大器A4的第二引脚接电源V-，运算放大器A4的第一引脚接电阻R14的一端，电阻R14的另一端接三极管Q3的基极，三极管Q3的基极接电源V1，三极管Q3的集电极接激光器的正极。

如图2所示，一种激光器波长控制电路，包括单片机、温度控制模块、激光器以及电流驱动电路，电流驱动电路采用图1所示的电流驱动电路。所述单片机分别与所述温度控制模块以及电流驱动电路连接，所述温度控制模块以及电流驱动电路均与激光器连接，所述激光器为半导体可调谐激光器。

如图3所示，温度控制模块包括监控单元、配置单元以及温度反馈单元，所述激光器包括内置的热敏电阻，所述单片机分别与配置单元以及温度反馈单元连接，所述监控单元与配置单元连接，所述配置单元与温度反馈单元连接，温度反馈单元与激光器内置的热敏电阻连接。所述激光器内部集成了制冷片，所述制冷片与所述配置单元连接。

如图4所示，所述监控单元包括电阻R3、电阻R4、电阻R2、电容C1、运算放大器A1、运算放大器A2、二极管D1、二极管D2、三极管Q1、三极管Q2、电阻R1以及比较器U1，所述比较器U1的型号为OP27。

所述电阻R3的一端接电阻R4的一端，电阻R4的另一端接电容C1的一端，电容C1的另一端接地；电容C1的一端接电阻R2的一端，电阻R2的另一端接运算放大器A2的同相端；电阻R3的另一端接运算放大器A1的同相端，运算放大器A1的反相端接三极管Q2的集电极，运算放大器A2的反相端接三极管Q1的集电极，运算放大器A1的电源正端以及运算放大器A2的电源正端均接电源V+，运算放大器A1的电源负端和运算放大器A2的电源负端均接电源V-；运算放大器A1的输出端接二极管D1的正极，二极管D1的负极接三极管Q1的基极，运算放大器A2的输出端接二极管D2的正极，二极管D2的负极接三极管Q2的基极；三极管Q1的发射极接三极管Q2的发射极，电阻R1的一端接三极管Q1的发射极，另一端接ADC采集模块；比较器U1的反相端接运算放大器A1的输出端，比较器U1的同相端接运算放大器A2的输出端，比较器U1的电源正端接电源V+，比较器U1的电源负端接电源V-。

TEC控制器U4的引脚ITEC串联取样电阻R4与电容C1后接地。取样电阻R4的两端接入由两个运放A1和A2组成的差分放大电路，差分放大的输出端分别接入比较器U1的输入端，比较器U1的输出端的电平高低可指示TEC控制器U4的输出电流的流向(即电流由LXP端流向LXN端或LXN端流向LXP端)。电流流经采样电阻R1后，由ADC采集模块采集电压幅值，实时跟踪TEC控制器U4的输出电流的大小。

如图5所示，所述配置单元包括第一可调电阻器U2、电阻R5、TEC控制器U4以及电容C6，所述第一可调电阻器U2的型号为MCP4641T-503E/ML。所述第一可调电阻器U2的第四引脚接地，第一可调电阻器U2的第八引脚接电源V1，第一可调电阻器U2的第六引脚接TEC控制器U4的引脚MAXIN，第一可调电阻器U2的第五引脚接TEC控制器U4的引脚MAXV，电阻R5的一端接第一可调电阻器U2的第五引脚，电阻R5的另一端接地；TEC控制器U4的引脚MAXIN和引脚MAXIP以及引脚VREF均接参考电源VREF；TEC控制器U4的引脚VDD接电源V1，TEC控制器U4的引脚GND接地，TEC控制器U4的引脚ITEC接电阻R3的一端；TEC控制器U4的引脚LXP接制冷片的正极和TEC控制器U4的引脚LXN接制冷片的负极，所述制冷片为激光器内部集成的制冷片，TEC控制器U4的引脚COMP接电容C6的一端，电容C6的另一端接地。单片机通过设置第一可调电阻器U2的阻值调节TEC控制器U4的电流输出端最大输出电流和电势差；单片机根据监控单元反馈的输出电流方向与大小判断状态是否正常，若异常则关闭TEC控制器U4的输出功能。

如图6所示，所述温度反馈单元包括第二可调电阻器U3、电阻R9、电阻R8、热敏电阻RT1、电阻R10、电容C5、运算放大器A3、电容C2、电阻R7、电容C3、电阻R6以及电容C4，所述热敏电阻RT1为激光器中内置的热敏电阻，所述第二可调电阻器U3的第八引脚接电源V1，第二可调电阻器U3的第六引脚接电阻R9的一端并接参考电源VREF，电阻R9的另一端接电阻R8的一端，电阻R8的另一端接运算放大器A3的反相端，第二可调电阻器U3的第五引脚接电容C5的一端，电容C5的另一端接地，电容C5的一端接热敏电阻RT1的一端，热敏电阻RT1的另一端接地，热敏电阻RT1的一端接运算放大器A3的同相端，电阻R10的一端接电阻R8的一端，电阻R10的另一端接地；运算放大器A3的电源正端接电源V+，运算放大器A3的电源负端接电源V-；运算放大器A3的反相端接电容C2的一端，电容C2的另一端接电阻R7的一端，电阻R7的另一端接TEC控制器U4的引脚CTLI，电容C2的一端接电阻R6的一端，电阻R6的另一端接电容C4的一端，电容C4的另一端接地，电容C3的一端接运算放大器A3的输出端，电容C3的另一端接电阻R6的一端。

参考电源VREF经第二可调电阻器U3串联激光器中热敏电阻后接地。单片机通过设置第二可调电阻器U3的阻值，使运算放大器A3的两个输入端在目标温度条件下的电压相同。

如图7所示，所述单片机的型号为STM32L452RET6。所述单片机的第十引脚接所述比较器U1的输出端，所述单片机的第五十九引脚、第六十引脚以及第六十一引脚分别接所述第一可调电阻器U2的第一引脚、第二引脚以及第三引脚，单片机的第三十三引脚接TEC控制器U4的引脚

单片机的第三十六引脚、第三十四引脚以及第三十五引脚分别接所述第二可调电阻器U3的第一引脚、第二引脚以及第三引脚。

本实用新型工作原理为：单片机通过设置第一可调电阻器U2的阻值调节TEC控制器U4的电流输出端最大输出电流和电势差；单片机根据监控单元反馈的输出电流方向与大小判断状态是否正常，若异常则关闭TEC控制器U4的输出功能。

参考电源VREF经第二可调电阻器U3串联激光器中热敏电阻后接地。单片机通过设置第二可调电阻器U3的阻值，使运算放大器A3的两个输入端在目标温度条件下的电压相同。

TEC控制器U4的引脚ITEC串联取样电阻R4与电容C1后接地。取样电阻R4的两端接入由两个运放A1和A2组成的差分放大电路，差分放大的输出端分别接入比较器U1的输入端，比较器U1的输出端的电平高低可指示TEC控制器U4的输出电流的流向(即电流由LXP端流向LXN端或LXN端流向LXP端)。电流流经采样电阻R1后，由ADC采集模块采集电压幅值，实时跟踪TEC控制器U4的输出电流的大小。

单片机通过设置温度反馈单元中可调电阻器的阻值，快速调节温度，同时单片机调节配置单元的电流输出端最大输出电流和电势差，保证快速调节温度的同时保证较大输出电流，从而实现对波长的粗调。

然后利用单片机输出调制电压从而驱动三极管Q3基极得到调制的发射极电流，单片机采用片内12位DAC电压输出，从而可以达到1.2mV电压分辨率，同时通过调节接地电阻R11，恒电流输出分辨率最小可以为μA级别，从而可以在极小的幅度下对波长进行非常精确的控制。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种电流驱动电路，其特征在于，所述电流驱动电路包括电容C7、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、运算放大器A4以及三极管Q3，所述电容C7的一端接单片机内置的DAC模块的电压输出端，所述电容C7的另一端接地，电阻R11的一端接电容C7的另一端，电阻R11的另一端分别接运算放大器A4的第四引脚以及激光器的负极，所述电阻R12的一端接电阻R11的一端，电阻R12的另一端接电容C7的一端，电阻R13的一端接电阻R12的另一端，电阻R13的另一端接运算放大器A4的第三引脚，运算放大器A4的第五引脚接电源V+，运算放大器A4的第二引脚接电源V-，运算放大器A4的第一引脚接电阻R14的一端，电阻R14的另一端接三极管Q3的基极，三极管Q3的基极接电源V1，三极管Q3的集电极接激光器的正极。

2.一种激光器波长控制电路，其特征在于，包括单片机、温度控制模块、激光器以及电流驱动电路，该电流驱动电路为权利要求1所述的电流驱动电路，所述单片机分别与所述温度控制模块以及电流驱动电路连接，所述温度控制模块以及电流驱动电路均与激光器连接。

3.根据权利要求2所述的一种激光器波长控制电路，其特征在于，所述温度控制模块包括监控单元、配置单元和温度反馈单元，所述激光器包括内置的热敏电阻，所述单片机分别与配置单元以及温度反馈单元连接，所述监控单元与配置单元连接，所述配置单元与温度反馈单元连接，温度反馈单元与激光器内置的热敏电阻连接。

4.根据权利要求3所述的一种激光器波长控制电路，其特征在于，所述激光器内部集成了制冷片，所述制冷片与所述配置单元连接。

5.根据权利要求4所述的一种激光器波长控制电路，其特征在于，所述监控单元包括电阻R3、电阻R4、电阻R2、电容C1、运算放大器A1、运算放大器A2、二极管D1、二极管D2、三极管Q1、三极管Q2、电阻R1以及比较器U1，所述电阻R3的一端接电阻R4的一端，电阻R4的另一端接电容C1的一端，电容C1的另一端接地；电容C1的一端接电阻R2的一端，电阻R2的另一端接运算放大器A2的同相端；电阻R3的另一端接运算放大器A1的同相端，运算放大器A1的反相端接三极管Q2的集电极，运算放大器A2的反相端接三极管Q1的集电极，运算放大器A1的电源正端以及运算放大器A2的电源正端均接电源V+，运算放大器A1的电源负端和运算放大器A2的电源负端均接电源V-；运算放大器A1的输出端接二极管D1的正极，二极管D1的负极接三极管Q1的基极，运算放大器A2的输出端接二极管D2的正极，二极管D2的负极接三极管Q2的基极；三极管Q1的发射极接三极管Q2的发射极，电阻R1的一端接三极管Q1的发射极，另一端接ADC采集模块；比较器U1的反相端接运算放大器A1的输出端，比较器U1的同相端接运算放大器A2的输出端，比较器U1的电源正端接电源V+，比较器U1的电源负端接电源V-。

6.根据权利要求5所述的一种激光器波长控制电路，其特征在于，所述配置单元包括第一可调电阻器U2、电阻R5、TEC控制器U4以及电容C6，所述第一可调电阻器U2的第四引脚接地，第一可调电阻器U2的第八引脚接电源V1，第一可调电阻器U2的第六引脚接TEC控制器U4的引脚MAXIN，第一可调电阻器U2的第五引脚接TEC控制器U4的引脚MAXV，电阻R5的一端接第一可调电阻器U2的第五引脚，电阻R5的另一端接地；TEC控制器U4的引脚MAXIN和引脚MAXIP以及引脚VREF均接参考电源VREF；TEC控制器U4的引脚VDD接电源V1，TEC控制器U4的引脚GND接地，TEC控制器U4的引脚ITEC接电阻R3的一端；TEC控制器U4的引脚LXP接制冷片的正极和TEC控制器U4的引脚LXN接制冷片的负极，所述制冷片为激光器内部集成的制冷片，TEC控制器U4的引脚COMP接电容C6的一端，电容C6的另一端接地。

7.根据权利要求6所述的一种激光器波长控制电路，其特征在于，所述温度反馈单元包括第二可调电阻器U3、电阻R9、电阻R8、热敏电阻RT1、电阻R10、电容C5、运算放大器A3、电容C2、电阻R7、电容C3、电阻R6以及电容C4，所述热敏电阻RT1为激光器中内置的热敏电阻，所述第二可调电阻器U3的第八引脚接电源V1，第二可调电阻器U3的第六引脚接电阻R9的一端并接参考电源VREF，电阻R9的另一端接电阻R8的一端，电阻R8的另一端接运算放大器A3的反相端，第二可调电阻器U3的第五引脚接电容C5的一端，电容C5的另一端接地，电容C5的一端接热敏电阻RT1的一端，热敏电阻RT1的另一端接地，热敏电阻RT1的一端接运算放大器A3的同相端，电阻R10的一端接电阻R8的一端，电阻R10的另一端接地；运算放大器A3的电源正端接电源V+，运算放大器A3的电源负端接电源V-；运算放大器A3的反相端接电容C2的一端，电容C2的另一端接电阻R7的一端，电阻R7的另一端接TEC控制器U4的引脚CTLI，电容C2的一端接电阻R6的一端，电阻R6的另一端接电容C4的一端，电容C4的另一端接地，电容C3的一端接运算放大器A3的输出端，电容C3的另一端接电阻R6的一端。

8.根据权利要求7所述的一种激光器波长控制电路，其特征在于，所述单片机的第十引脚接所述比较器U1的输出端，所述单片机的第五十九引脚、第六十引脚以及第六十一引脚分别接所述第一可调电阻器U2的第一引脚、第二引脚以及第三引脚，单片机的第三十三引脚接TEC控制器U4的引脚

单片机的第三十六引脚、第三十四引脚以及第三十五引脚分别接所述第二可调电阻器U3的第一引脚、第二引脚以及第三引脚。

9.根据权利要求8所述的一种激光器波长控制电路，其特征在于，所述单片机的型号为STM32L452RET6。

Images