雙通道分布反饋式激光器溫控電路研究

Summary研制了基于模擬PID溫控電路的雙通道分布反饋式激光器溫控電路，對比了模擬PID和數(shù)字PID溫控電路的性能，并通過實驗驗證了溫度控制的有效性和可靠性，研究成果能夠為分布反饋式激光器領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。Keys：分布反饋式激光器，模擬PID，雙通道，光電檢測引言目前，分布反饋式激光器的溫度控制電路有兩種設(shè)計方法，一種是使用分立電子元件設(shè)計溫控電路，另一種是使用集成芯片設(shè)計并制作溫控電路。使用分立元件設(shè)計電路的成本較低，但電路體積較大，且由于電子元件過多，電路功耗和故障率難以得到保障。使用高集成度的專用激光器溫度控制芯片，可以提高溫控電路的穩(wěn)定性和控制精度。因此本文針對分布反饋式激光器開展相關(guān)測試實驗，并通過自主研制電路的方法，設(shè)計并制作分布反饋式激光器溫度控制電路，為光電檢測領(lǐng)域的工作提供參考。1設(shè)計方案系統(tǒng)中使用模擬PID電路進(jìn)行激光器溫度控制，與數(shù)字PID電路相比，模擬PID的響應(yīng)速度更快，控制精度更高，并且無需編寫復(fù)雜的PID控制程序，降低了主控MCU的資源。激光器內(nèi)置的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的阻值與溫度之間的關(guān)系如公式(1)所示，公式中，為熱敏電阻在溫度時的阻值，為熱敏電阻在室溫時的阻值，本文中使用的CO激光器與CH4激光器封裝的RTD在室溫下的阻值均為10kΩ，CO激光器的B值為3900K，CH4激光器的B值為3930K，為RTD在室溫下的溫度，與均為開式溫度，開氏溫度與攝氏溫度的關(guān)系如公式(3.2)所示，其中為攝氏溫度，為開氏溫度。除此之外，還有一種方法可以建立RTD與溫度之間關(guān)系，即通過查詢兩個激光器的電阻溫度轉(zhuǎn)換表(R-Tconversiontable)，將10~60℃溫度區(qū)間的R-T數(shù)據(jù)通過Origin軟件進(jìn)行擬合，當(dāng)設(shè)定溫度為一固定值時，對應(yīng)的RTD阻值可以由擬合公式計算得到。(1)(2)(3)(4)2電路設(shè)計在設(shè)計基于ADN8831的激光器溫控電路時，首先應(yīng)該設(shè)定激光器的溫度范圍。溫度范圍不宜過大或過小，應(yīng)該根據(jù)激光器的出廠測試數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置，如果溫度范圍設(shè)置過大，在控溫時容易產(chǎn)生過沖或者導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)時間過長，如果溫度范圍設(shè)置過小，則會縮小激光器的中心波長位移范圍。在選定激光器的溫度范圍后，通過查找熱敏電阻的R-T表，得到溫度范圍上下限對應(yīng)的溫度與，以及中間溫度對應(yīng)的，由于激光器內(nèi)置的時NTC熱敏電阻，因此。在此基礎(chǔ)上，通過公式，在溫度范圍內(nèi)選取激光器的設(shè)定溫度值時，設(shè)定電壓為，即通過DAC對ADN8831的PIN6輸出電壓。為ADN8831提供的參考電壓，為熱敏電阻，通過，，可求得，，阻值。在計算的阻值之后，需要檢查ADN8831的第一級增益是否在10和30之間，如果增益過高，則說明溫度區(qū)間選取的過小，不利于溫度的高分辨率控制，如果增益過低，則需要縮小溫度控制范圍。至此，建立了激光器的溫度值與DAC輸出電壓直接的線性關(guān)系。激光器溫度的穩(wěn)定性與溫度狀態(tài)建立時間取決于控制環(huán)路增益及帶寬。為了實現(xiàn)最高的直流控制精度，本文中，控制環(huán)路使用了比例式積分微分(PID)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。由于激光器的個體差異，需要在溫度范圍確定之后，對可調(diào)諧溫度補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行參數(shù)配置。如圖1所示，CD，RD，RP，CF，RI，CI為構(gòu)成PID控制環(huán)路的元器件，通過改變這些器件的阻值、容值，可以直接影響到環(huán)路的穩(wěn)定性和響應(yīng)時間，例如，提高CI或降低RP可增加環(huán)路時間常數(shù)，增強(qiáng)穩(wěn)定性，但同時會導(dǎo)致響應(yīng)時間變長。圖1激光器溫度控制電路的可調(diào)諧PID溫度補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)原理圖結(jié)論本文設(shè)計并分析了基于分布反饋式激光器的溫度控制電路。通過實驗驗證了電路的有效性，研究成果可進(jìn)一步優(yōu)化，為低成本、高可靠性的激光器驅(qū)動方案提供