用于TDLAS 氣體檢測的DFB 激光器驅動電路設計

徐鵬飛，李煒楠，陳紅巖，葉有祥

（1.中國計量大學機電工程學院，浙江 杭州 310018；2.中國計量大學現代科技學院，浙江 義烏 322000）

0 引 言

可調諧半導體激光吸收光譜（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, TDLAS）技術具有靈敏度高、通用性強、響應時間短等特點，在大氣污染物監測、礦井氣體濃度檢測等方面取得了廣泛應用[1-4]。TDLAS 氣體檢測通常利用含有低頻鋸齒波和高頻正弦波的電流信號對激光器調制，以使出射激光掃描待測氣體的吸收譜線，激光被待測氣體吸收后光強減弱，從而形成氣體吸收峰，吸收峰幅值與氣體濃度呈正相關，從而可以反演出待測氣體濃度[5-7]。

分布反饋（Distributed Feedback, DFB）激光器是TDLAS 技術常用的光源之一，其出光特性受到驅動電流和自身溫度的雙重影響，兩者必須同時控制才能減少氣體濃度檢測的影響。文獻[8]中激光器的壓控恒流源驅動僅考慮了瞬間靜電或過大電流的情況，然而不同激光器所能承受的最大電流不同，超過最大電流后便可對激光器造成不可逆的損壞。文獻[9]中采用模擬PID 對激光器內部溫度進行控制，最大溫度誤差為0.056 ℃；然而在實際使用中，激光器溫度誤差應當越小越好，較大的溫度誤差會導致吸收峰位置偏移，從而影響氣體檢測精度。

針對上述情況，本文設計一種可以限制最大驅動電流、高精度溫控的DFB 激光器驅動電路，保證了激光器在實際應用中能安全穩定的工作，滿足TDLAS 氣體檢測的實際需要。

1 驅動電路整體結構

DFB 激光器的內部集成有熱電制冷器（Thermo Electric Cooler, TEC）、熱敏電阻（Thermistor, Th）、背光探測器（Photo Diode, PD）和激光二極管（Laser Diode,LD）。DFB 激光驅動電路主要由激光器電流驅動電路和激光器溫控電路兩部分構成，整體結構如圖1 所示。因為TDLAS 波長調制技術主要利用鋸齒波和正弦波信號調制激光器發出光信號，故選用STM32F103RCT6 作為主控芯片，通過AD9834 產生正弦波，DAC8560 產生鋸齒波，兩個信號通過同相加法電路疊加后，輸入到壓控恒流源電路，將電壓信號轉變為電流信號，驅動DFB激光器。溫度控制選用MAX1978 高精度溫度控制芯片，通過熱敏電阻為MAX1978 反饋激光器內部溫度變化情況，MAX1978 通過控制TEC 的電流大小和方向變化來實現溫度控制。

圖1 驅動電路整體結構

2 驅動電路設計

2.1 正弦波信號電路

正弦波信號采用STM32RCT6 控制AD9834 產生。AD9834 具有低成本、低功耗的DDS 芯片，時鐘速率為75 MHz 時可實現0.28 Hz 分辨率[10]。圖2 為正弦波發生電路。

圖2 正弦波發生電路

AD9834 輸出正弦波的幅值可通過調節1 腳電壓值來改變內部的滿量程電流IF實現，IF表達式為：

式中：Vref為AD9834 內部的基準電壓；Vset為R1和RP1在R2上產生的分壓。AD9834 的輸出頻率fout為：

式中：fMCLK為參考時鐘頻率；FREQ 為頻率控制字。

2.2 鋸齒波信號電路

鋸齒波信號采用STM32RCT6 控制16 位單通道數模轉換器DAC8560 產生，該芯片具有超低干擾、低功耗、低溫度漂移的特點，具有極佳的線性和極低的毛刺脈沖[11]。上電后可輸出穩定的鋸齒波，確保激光器不會因為突變的電信號造成不可逆的損壞。圖3 所示為鋸齒波發生電路。

圖3 鋸齒波發生電路

2.3 信號疊加電路

信號疊加電路采用同相加法器將鋸齒波信號和正弦波信號進行疊加。圖4 所示為信號疊加電路。V1、V2表示分別輸入正弦波和鋸齒波，V3由電位器分壓提供直流偏置，便于在更換不同激光器后根據不同的激光器參數和應用場合調整合適的驅動信號范圍。

信號疊加電路的輸出Vout表達式為：

2.4 壓控恒流源電路

恒流源電路選擇熱穩定性好、導通電阻小、噪聲系數小的場效應管作為壓控恒流源的核心器件，利用其工作在飽和區的恒流特性實現恒流功能，將信號疊加電路輸出的電壓信號轉變為電流信號驅動激光器[12]。圖5所示為壓控恒流源電路。

圖5 壓控恒流源電路

信號疊加電路輸出電壓由Vin進入，流過場效應管Q2的電流大小與R5上的電流一致。電路中運放U1起到電壓比較器的作用，反相端收到R5反饋的電壓后，與同相端輸入Vmax比較（Vmax可以是DAC 輸入也可以是分壓電路輸入），通過輸出高低電平的方式控制場效應管Q1的通斷，從而限制流過激光器的最大電流。本文限制Vmax為900 mV，R5選擇10 Ω，即最大電流為90 mA。

2.5 TEC 溫控電路

MAX1978 是美信公司開發的TEC 溫控管理芯片，其結構如圖6 所示。該芯片將傳統溫控電路所需的差分增益電路、PWM 控制器、場效應管驅動電路集成在內部，大大縮小了電路體積，降低了功耗，通過配置外圍電路便可對TEC 的驅動電壓和電流進行設置，從而實現對激光器溫度的控制[13]。TEG 溫控電路圖如圖7 所示。

圖6 MAX1978 芯片內部結構

圖7 TEC 溫控電路

DFB 激光器NTC 在25 ℃時的典型值為10 kΩ，電橋電路R11選取阻值為10 kΩ 的高精密、低溫漂電阻，即可設置DFB 激光器為25 ℃。通過由R9、R10、R11和熱敏電阻Th構成的電橋電路為MAX1978 反饋溫度變化情況，配合由14、15、17 腳連接的外部比例積分電路，對激光器溫度進行動態調整。

調節方程為：

熱敏電阻阻值與溫度的關系式為：

式中：T1為熱敏電阻溫度，即激光器溫度；T2為298.15 K；為熱敏電阻阻值；為10 kΩ；B為固定值3 950。

3 實驗結果與分析

實驗中，激光器使用LD-PD INC 公司的中心波長為1 653.7 nm 的14 腳蝶形甲烷DFB 激光器，如圖8 所示。

圖8 DFB 激光器

激光器在上電之前，先使用KEYSIGHT-DSOX1204G示波器檢查驅動電路各點位電壓信號是否在正常范圍之內，以免因操作失誤損壞激光器。正弦波信號和鋸齒波信號經過信號疊加電路后，輸出波形如圖9 所示。

圖9 信號疊加電路輸出波形

使用UNIT-UT61E 數字萬用表對壓控恒流源輸出進行測試，結果如表1 所示。輸出電流最大相對誤差為0.1%，當電壓超過900 mV 后，輸出電流被限制在90 mA以下，起到了限制最大電流的作用。

表1 壓控恒流源輸出測試

TEC 溫控電路中，使用UNIT-UT61E 數字萬用表每隔20 s 測量一次MAX1978 芯片FB-腳的電壓，共測量6 min，通過式（5）計算出DFB 激光器的溫度，激光器溫度變化曲線如圖10 所示。

圖10 激光器溫度測試曲線

圖10 中，最高溫度為25.008 ℃，最低溫度為24.992 ℃。穩定度公式為：

式中：Tmax為溫度最大值；Tmin為溫度最小值；為溫度平均值。由穩定度公式計算出溫度穩定度為0.072%，溫度控制精度優于0.01 ℃。

實驗設備如圖11 所示。

圖11 實驗設備

將DFB 激光器與Herriot 長光程氣體吸收池連接，通入濃度為3 000 ppm 的甲烷，用光電探測器檢測激光經過甲烷氣體吸收后的輸出信號。激光穿過甲烷氣體后出現了明顯且穩定的吸收峰，經過鎖相放大器可得到穩定的二次諧波信號，如圖12 所示。故DFB 激光驅動電路設計滿足實際應用需求。

圖12 吸收峰及二次諧波

4 結 語

在實際使用激光器時，應當同時考慮驅動電流和激光器溫度對出光質量的影響。本文設計帶有限流功能的激光器電流驅動電路和高精度TEC 溫控電路。實驗測試結果表明：電流驅動電路輸出誤差小，激光器溫度控制精度高；在甲烷氣體檢測中能產生明顯的氣體吸收峰和二次諧波，滿足DFB 激光器在TDLAS 技術中的應用需求。

注：本文通訊作者為陳紅巖。