半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)及溫控系統(tǒng)研究

摘 要：體積小、重量輕、穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，使半導(dǎo)體激光驅(qū)動(dòng)器在許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，而且在未來(lái)仍具有突出的發(fā)展前景。本文就半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)及溫控系統(tǒng)進(jìn)行研究，首先介紹了半導(dǎo)體激光器恒流驅(qū)動(dòng)的整體設(shè)計(jì)以及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，再針對(duì)溫控系統(tǒng)的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和溫控硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體激光器；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；溫控系統(tǒng)

隨著科技水平以及科學(xué)期間的發(fā)展，半導(dǎo)體物理學(xué)也得到了質(zhì)的發(fā)展，并孕育了半導(dǎo)體激光器[1]。半導(dǎo)體激光器具有體積小、重量輕、能耗低、效率高、可靠性強(qiáng)的特點(diǎn)，半導(dǎo)體激光器的問(wèn)世極大的推動(dòng)了電子科技的發(fā)展，并且廣泛應(yīng)用于測(cè)距、雷達(dá)、通信等多領(lǐng)域的模擬數(shù)字器件集成中，極大降低硬件和元器件電路的成本。文章就半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)和溫控系統(tǒng)進(jìn)行研究。

1 半導(dǎo)體激光器恒流驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

1.1 整體設(shè)計(jì)

半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)的整體設(shè)計(jì)如圖1，半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)整體系統(tǒng)包括單片機(jī)控制模塊、系統(tǒng)電源模塊、恒流源和溫控模塊、等等幾個(gè)主要組成部分。在半導(dǎo)體激光器運(yùn)行中，注入的電流與器件溫度有密切的關(guān)系。注入的電流越大，器件的溫度也會(huì)越高[2]。當(dāng)激光器器件的溫度升高，激光器輸出電流的功率以及波長(zhǎng)又會(huì)受到溫度的影響。因此，半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)必須協(xié)調(diào)恒流模塊和溫控模塊兩部分的關(guān)系，確保兩個(gè)模塊在半導(dǎo)體激光器運(yùn)行過(guò)程中能夠同時(shí)工作，而且兩個(gè)模塊會(huì)相互配合，共同實(shí)現(xiàn)控制工作。

1.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)有時(shí)序產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)、脈沖產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)以及開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)三種。在激光探測(cè)技術(shù)中，由于探測(cè)信號(hào)需要遵循探測(cè)系統(tǒng)的時(shí)序求求才能發(fā)送，因此需要采用時(shí)序信號(hào)控制。當(dāng)前激光探測(cè)系統(tǒng)中，一類(lèi)由時(shí)序電路自身產(chǎn)生，另一類(lèi)則有外部輸入時(shí)鐘進(jìn)行分頻或倍頻產(chǎn)生。脈沖產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)則是由于電路要求前一級(jí)電路需要具備較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，因此脈沖產(chǎn)生電路的要求為能夠產(chǎn)生開(kāi)關(guān)連讀所需的激勵(lì)信號(hào)，而且電路輸出端的驅(qū)動(dòng)必須具備較高的能力。開(kāi)關(guān)電路有開(kāi)關(guān)器件、充電元件以及其他的電阻電容等諸多元件組成。半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電路使用的開(kāi)關(guān)電器可分為雙極性高額大功率晶體管、晶體閘流管電流兩種，雙極性高頻大功率晶體管的電路較為復(fù)雜，因而應(yīng)用較少。而晶體閘流管的電路簡(jiǎn)單，使用于激光器，但是開(kāi)關(guān)速度對(duì)其限制較大。

2 半導(dǎo)體激光器溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 半導(dǎo)體激光溫控系統(tǒng)方案

2.1.1 半導(dǎo)體激光器溫度控制系統(tǒng)方案

依據(jù)控制原理以及組成結(jié)構(gòu)，經(jīng)典溫控系統(tǒng)可分為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)以及復(fù)合控制系統(tǒng)三種。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)是指控制器和被控對(duì)象的單項(xiàng)控制過(guò)程，即只有輸入才能控制系統(tǒng)輸出，因此開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)控制的精確度不高，抗干擾性較差。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)依據(jù)順序控制系統(tǒng)控制輸入裝置、檢測(cè)元件、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和被控對(duì)象，即依據(jù)時(shí)序進(jìn)行邏輯控制。因此，開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)應(yīng)用的測(cè)量過(guò)程的控制具有精準(zhǔn)對(duì)要求低、控制點(diǎn)少且易取得數(shù)量的特點(diǎn)。

2.1.2 閉環(huán)控制系統(tǒng)

閉環(huán)控制系統(tǒng)是建立在反饋原理基礎(chǔ)上的控制系統(tǒng)，而且它依照偏差進(jìn)行控制，因此閉環(huán)控制系統(tǒng)也被稱(chēng)為反饋控制系統(tǒng)。和開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制系統(tǒng)不僅具有正向作用，閉環(huán)控制系統(tǒng)還具有反饋?zhàn)饔谩＜聪到y(tǒng)輸出量可直接影響控制量。閉環(huán)控制系統(tǒng)將負(fù)反饋控制系統(tǒng)引入反饋控制系統(tǒng)中，不僅可以有效減少系統(tǒng)產(chǎn)生的偏差，而且控制的精度和范圍也得到極大的提升[3]。因此，半導(dǎo)體激光器溫控系統(tǒng)多采用閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)控制器處理系統(tǒng)輸出與輸出的偏差量后，輸出的控制量調(diào)節(jié)被控對(duì)象的問(wèn)題，而且被控對(duì)象的溫度被實(shí)時(shí)反饋到偏差量，從而達(dá)到實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)控制被控對(duì)象溫度的目的。

2.2 半導(dǎo)體激光器溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

溫控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)包括溫度檢測(cè)采集、微控制器、鍵盤(pán)設(shè)定、存儲(chǔ)卡、溫度控制機(jī)處理、鍵盤(pán)處理等多個(gè)模塊[4]。硬件系統(tǒng)工作過(guò)程：溫度傳感器測(cè)量被控對(duì)象的問(wèn)題，再將測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)換為既定的數(shù)字信號(hào)并傳遞至溫度檢測(cè)采集模塊，由溫度檢測(cè)采集模塊處理轉(zhuǎn)換信號(hào)。LCD顯示屏也同時(shí)顯示被控對(duì)象的測(cè)量溫度，并將處理的信號(hào)傳輸至微處理器上，通過(guò)既定的算法計(jì)算、調(diào)整等步驟，使信號(hào)成為溫度執(zhí)行數(shù)據(jù)。最后，溫度執(zhí)行數(shù)據(jù)被傳送至執(zhí)行模塊內(nèi)，完成加熱被控對(duì)象，獲獎(jiǎng)被控對(duì)象降溫。存儲(chǔ)模塊不僅可以存放即時(shí)文件，還能系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)，以便進(jìn)一步分析控制結(jié)果。此外，溫控硬件模塊控制系統(tǒng)還具備一定的安全報(bào)警功能，對(duì)被控對(duì)象出現(xiàn)過(guò)亞、超溫等問(wèn)題，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著數(shù)據(jù)信號(hào)處理技術(shù)的進(jìn)步，基于數(shù)字信號(hào)處理的半導(dǎo)體激光器設(shè)計(jì)在未來(lái)發(fā)展中具極大前景，憑借數(shù)字信號(hào)處理強(qiáng)大的運(yùn)算能力，可以改進(jìn)當(dāng)前半導(dǎo)體激光器中數(shù)字適應(yīng)性差和運(yùn)算能力低下的問(wèn)題，提高工作運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

[參考文獻(xiàn)]

[1]張悅玲，楊紹巖，張曉娟.基于MSP430F449的半導(dǎo)體激光器溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].光電技術(shù)應(yīng)用.2012，（03）.

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[3]張晶，劉東明.半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電路的計(jì)算機(jī)仿真分析[J].計(jì)算機(jī)仿真.2009，（12）.

[4]叢夢(mèng)龍，李黎，崔艷松，張真騫，王一丁.控制半導(dǎo)體激光器的高穩(wěn)定度數(shù)字化驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)[J].光學(xué)精密工程.2010，（07）.