基于單片機的半導體激光器電源控制系統(tǒng)的設(shè)計

半導體激光器(LD)體積小，重量輕，轉(zhuǎn)換效率高，省電，并且可以直接調(diào)制。基于他的多種優(yōu)點，現(xiàn)已在科研、工業(yè)、軍事、醫(yī)療等領(lǐng)域得到了日益廣泛的應用，同時其驅(qū)動電源的問題也更加受到人們的重視。使用單片機對激光器驅(qū)動電源的程序化控制，不僅能夠有效地實現(xiàn)上述功能，而且可提高整機的自動化程度。同時為激光器驅(qū)動電源性能的提高和擴展提供了有利條件。

　1總體結(jié)構(gòu)框圖

　　本系統(tǒng)原理如圖1所示，主要實現(xiàn)電流源驅(qū)動及保護、光功率反饋控制、恒溫控制、錯誤報警及鍵盤顯示等功能，整個系統(tǒng)由單片機控制。本系統(tǒng)中選用了C8051F單片機。C8051F單片機是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片(SOC)，他在一個芯片內(nèi)集成了構(gòu)成一個單片機數(shù)據(jù)采集或控制系統(tǒng)所需要的幾乎所有模擬和數(shù)字外設(shè)及其他功能部件，如本系統(tǒng)中用到的ADC和DAC。這些外設(shè)部件的高度集成為設(shè)計小體積、低功耗、高可靠性、高性能的單片機應用系統(tǒng)提供了方便，也大大降低了系統(tǒng)的成本。光功率及溫度采樣模擬信號經(jīng)放大后由單片機內(nèi)部A／D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，進行運算處理，反饋控制信號經(jīng)內(nèi)部D／A轉(zhuǎn)換后再分別送往激光器電流源電路和溫控電路，形成光功率和溫度的閉環(huán)控制。光功率設(shè)定從鍵盤輸入，并由LED數(shù)碼管顯示激光功率和電流等數(shù)據(jù)。

　　2半導體激光器電源控制系統(tǒng)設(shè)計

　　目前，凡是高精密的恒流源，大多數(shù)都使用了集成運算放大器。其基本原理是通過負反作用，使加到比較放大器兩個輸入端的電壓相等，從而保持輸出電流恒定。并且影響恒流源輸出電流穩(wěn)定性的因素可歸納為兩部分：一是構(gòu)成恒流源的內(nèi)部因素，包括：基準電壓、采樣電阻、放大器增益(包括調(diào)整環(huán)節(jié))、零點漂移和噪聲電壓；二是恒流源所處的外部因素，包括：輸入電源電壓、負載電阻和環(huán)境溫度的變化。

　　2.1慢啟動電路

　　半導體激光器往往會因為接在同一電網(wǎng)上的多種電器的突然開啟或者關(guān)閉而受到損壞，這主要是由于開關(guān)的閉合和開啟的瞬間會產(chǎn)生一個很大的沖擊電流，就是該電流致使半導體激光器損壞，介于這種情況，必須加以克服。因此，驅(qū)動電源的輸入應該設(shè)計成慢啟動電路，以防損壞，如圖2所示：左邊輸入端接穩(wěn)壓后的直流電壓，右邊為輸出端。整個電路的結(jié)構(gòu)可看作是在射級輸出器上添加了兩個Ⅱ型濾波網(wǎng)絡(luò)，分別由L1，C1，C2和L2，C6，C7組成。電容C5構(gòu)成的C型濾波網(wǎng)絡(luò)及一個時間延遲網(wǎng)絡(luò)。慢啟動輸入電壓V在開關(guān)和閉合的瞬間產(chǎn)生大量的高頻成分，經(jīng)過圖中的兩個Ⅱ型網(wǎng)絡(luò)濾出大部分的高頻分量，直流以及低頻分量則可以順利地經(jīng)過。到達電阻R和C組成的時間延遲網(wǎng)絡(luò)，C2和C4并聯(lián)是為了減少電解電容對高頻分量的電感效應。

　　2.2恒流源電路的設(shè)計

　　為了使半導體激光器穩(wěn)定工作，對流過激光器的電流要求非常嚴格，供電電路必須是低噪聲的穩(wěn)定恒流源驅(qū)動，具體電路如圖3所示。