智能控制的半導(dǎo)體激光器電源實(shí)現(xiàn)

　　選用Silicon公司的C8051F020為數(shù)字處理單元。在掃描按鍵功能實(shí)現(xiàn)中使用了CH451，芯片內(nèi)置去抖功能和鍵盤中斷功能，可以節(jié)省單片機(jī)的內(nèi)部運(yùn)行時(shí)間，確保按鍵讀取的準(zhǔn)確性。

　　外圍電路

　　為實(shí)現(xiàn)調(diào)制信號輸出電壓的獨(dú)立可調(diào)，在輸出端添加了兩級輸出運(yùn)放U14A和U14B，考慮到帶寬要求所以放大器選用Maxim公司的高速運(yùn)放MAX4215。利用高速運(yùn)算放大器組成減法電路，使得輸出信號由原來的對稱于地電位的2Vp-p變?yōu)橐?.5V電壓為中心的2Vp-p。當(dāng)需要外接調(diào)制電路時(shí)則啟動(dòng)核心單元控制繼電器，從而達(dá)到內(nèi)置調(diào)制電路和外接調(diào)制源之間的轉(zhuǎn)換。

　　軟件設(shè)計(jì)

　　軟件采用C51編寫程序，包括主程序和中斷響應(yīng)程序部分。

　　主程序主要是實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)、慢關(guān)機(jī)和控制發(fā)火。在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，初始化系統(tǒng)后進(jìn)入人機(jī)對話界面，掃描是否有按鍵按下，若有則調(diào)用按鍵處理程序，操作者可通過鍵盤設(shè)定輸出電流輸出電壓基準(zhǔn)值，同時(shí)顯示，以便確認(rèn)。開始工作，通過緩慢增加電壓的方式來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的軟啟動(dòng)，保護(hù)LD。正常工作時(shí)，硬件電路中采樣電流信號，從數(shù)模轉(zhuǎn)換電路出來的信號經(jīng)過采樣電阻，得到相應(yīng)的電壓信號，傳給單片機(jī)，送出顯示。若出現(xiàn)電流波動(dòng)情況則進(jìn)行PID控制，其中采用了中值與均值復(fù)合濾波方法處理。系統(tǒng)對D/A輸出信號調(diào)整，進(jìn)而調(diào)整輸出電流。主程序中的循環(huán)部分不斷探測LD的工作電流、工作溫度和發(fā)射功率，并顯示出來以便查看。如果出現(xiàn)故障，中斷信號送入單片機(jī)端口(分別相應(yīng)過壓、過流、突然斷電情況)，系統(tǒng)分別調(diào)用中斷程序?qū)崿F(xiàn)對系統(tǒng)的快速保護(hù)。主要控制功能均利用中斷實(shí)現(xiàn)，保證系統(tǒng)響應(yīng)的實(shí)時(shí)性。最后當(dāng)操作者按下按鍵關(guān)閉設(shè)備時(shí)，系統(tǒng)調(diào)用慢關(guān)閉程序，安全地停止工作。

　　數(shù)字濾波

　　對系統(tǒng)干擾作用的沖擊信號往往具有較寬頻譜，且具有隨機(jī)性。對此，系統(tǒng)采用了軟件方法對采樣信號進(jìn)行了數(shù)字平滑濾波，通過對信號進(jìn)行處理，減少干擾對有用成分的作用。常見數(shù)字濾波的方法有中值濾波、均值濾波等[6]。將中值濾波與均值濾波方法結(jié)合，構(gòu)造一種復(fù)合濾波方法，具體做法是：首先對樣本信號排序，去掉其中的最大值和最小值，再對余下數(shù)據(jù)組成的序列計(jì)算均值作為濾波結(jié)果，這樣既可濾除沖擊干擾又保留了有用信號成分。

　　保護(hù)設(shè)置

　　軟啟動(dòng)和慢關(guān)機(jī)：系統(tǒng)的啟動(dòng)或關(guān)閉均由啟動(dòng)/停機(jī)鍵控制，如果判斷為開機(jī)，則命令LD驅(qū)動(dòng)芯片預(yù)熱工作，再逐漸增大工作電流至設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)。如果判斷為關(guān)閉，則逐漸降低工作電流直到零，實(shí)現(xiàn)慢關(guān)機(jī)。

　　電流過載保護(hù)：程序設(shè)定或通過鍵盤確定電流值上限值，CPU通過控制數(shù)字電位器調(diào)節(jié)激光驅(qū)動(dòng)芯片PIN21的電壓并檢測電流，保證流經(jīng)LD的電流的穩(wěn)定，防止出現(xiàn)過流而損壞LD。實(shí)時(shí)比較電流設(shè)定值和采樣值，當(dāng)實(shí)際值大于上限時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)限流保護(hù)動(dòng)作。

　　測試結(jié)果

　　根據(jù)設(shè)計(jì)制作了數(shù)字式電源，連接現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室用的半導(dǎo)體激光器，進(jìn)行性能測試。

　　開機(jī)后激光器預(yù)熱半小時(shí)，通過軟件設(shè)定方式調(diào)節(jié)激光器的工作電流至1.5A，激光器啟動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行，工作電流平穩(wěn)上升達(dá)到1.5A，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間在1.5~2s之間。系統(tǒng)輸出電流為1.5A，連續(xù)工作4小時(shí)，每間隔10分鐘記錄1次電流，按照時(shí)間排列測試次序和相應(yīng)的電流值。測試結(jié)果數(shù)據(jù)描繪曲線見圖3。結(jié)果表明系統(tǒng)的控制電流穩(wěn)定，誤差小。測試結(jié)束后關(guān)閉激光器，系統(tǒng)逐步減小輸出電壓信號，降低輸出功率至零后激光器停止工作。結(jié)果表明，采用數(shù)字控制方案的電源達(dá)到激光器的穩(wěn)態(tài)精度要求。

　　結(jié)語

　 結(jié)果表明，輸出電流0～1.5A，工作電流穩(wěn)定，電源還可實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)慢關(guān)機(jī)、防浪涌功能。經(jīng)測試，數(shù)字式電源達(dá)到激光電源的穩(wěn)態(tài)精度要求，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，同時(shí)簡化了硬件電路。