基于AVR单片机控制的半导体激光电源

驱动电源的性能对半导体激光器起到非常大的影响,瞬时电流或者电压突变等许多原因都可破坏激光器。电流、温度的剧烈变化会使输出光功率突变,影响输出的精确、稳定。基于单片机的智能化控制,对于解决半导体激光器工作的准确性、稳定性和可靠性的问题起到了极大改善作用。现介绍一种由单片机控制的激光器电源,该系统具有广大的实际使用前景。
 
系统构造
系统的整体结构见图1。组成模块包括:电源管理模块,控制单元模块、温度控制模块、驱动模块等。因为半导体激光器对驱动电源的特殊要求,电源的设计需非常完善。电源部分由功率驱动路、使能电路、电流负反馈电路、取样放大路、恒流源电路、限流保护电路等组成。控制部分主要包括温度和光功率控制,可使半导体激光器输出更加准确、稳定和可靠。 激光电源的设计
电流源的驱动
电源自身的纹波对输出电流影响非常大,电源电压部分中应使用效果良好的稳压电路和滤波电路,确保电源电压有很低的噪声与干扰纹波和非常高的稳定度,采用恒定电流源电路抑制浪涌电流。监测单元的作用:当工作时电流突变或高压瞬间冲击时做出快速响应,同时将中断请求送给单片机系统,MCU便将输出电流调低至零,这样实现过电流保护的作用。
 
光功率反馈控制
设计一个闭环的反馈系统来确保激光器输出光功率的稳定性。在激光器后端面安放一个光电二极管,对输出光功率进行采样,首先将其转换成监测电流,然后通过电流与电压的转换电路将其转成电压信号,调节控制信号的幅值来调整输出电流,最终达到对半导体激光器输出光功率的恒定控制。
 
恒定温度控制
半导体激光器对温度非常敏感,温度的升高,阀值电流提升,促使输出光功率降低,波长变大。温度的升高还会造成LD内部产生缺陷,还可导致影响寿命。PN结温度的上升主要原因是因为输入的电能所产生的热消耗,因此需要调控激光器的结温,使输出的光功率和工作波长稳定。
利用温度传感器对半导体激光器的温度值进行采样,获取实际温度值,然后与键盘预先设定的基准温度值比较,同时进入PID算法控制模块,经过算法处理,得到稳定的温度值,最过将稳定的输出数字控制量经过D/A转换,把得到的模拟信号量发送给半导体制冷器,从而达到对半导体激光器的温度自动控制目的。 显示界面
系统使用LCD12864显示输出频率、输出脉宽、输出脉冲数。在待机时,显示当前系统的频率、脉宽、输出脉冲数值;当系统处于预置状态时,界面显示图标闪烁,如果此时有增加、减少键按下时,将增减相应的数值。
 
键盘控制
键盘有五个按键,设置为开始/停止、波形的选择、功率设置、增加、减少。可预置功率、频率、脉宽的值。按键优先级从高至低依次为启动/停止、波形选择、功率设置、增加、减少。通电时,波形选择、功率预置、增加、减少键有效。当增、减按键被连续按下时,增加、减少的速度会自动变快,使系统可以快速的实现要求功能。
 
硬件方案设计
系统主要硬件设计有光功率控制和温度控制电路,可以更有效地解决半导体激光器工作的准确、稳定和可靠性问题。硬件结构如图2。光功率和温度采样模拟信号经放大后由A/D转换为数字信号,送入MCU进行运算处理,反馈控制信号经D/A转换后再分别送给激光器电流源电路和温控电路,形成光功率和温度的闭环控制。
 
结语
本文应用AVR单片机对激光电源进行智能化控制,介绍了智能控制系统的硬件结构和工作原理。应用开关电源和微控制器的解决方案,使激光电源具有智能化程度高、体积小、保护完备和使用方便等优点,同具备与电脑或其它智能仪器通信等功能。经过测试,系统性能稳定,完全达到科研机构对激光电源性能指标要求。