功率反饋式高穩(wěn)定光源電路設計

摘 要： 隨著導航精度要求的提高，人們對高精度光纖陀螺如何實現(xiàn)一直進行著深入的探索。從設計光纖陀螺光源的角度出發(fā)，通過合理設計高精度TEC溫度控制電路和恒流LD驅動控制電路，實現(xiàn)了基于反饋控制的高功率穩(wěn)定性的摻鉺光纖光源。測試結果表明，該硬件系統(tǒng)取得了理想的測試效果。該光源硬件電路設計可以作為實現(xiàn)滿足高精度光纖陀螺要求的光源設計的一種參考。

關鍵詞： 光纖陀螺； 摻鉺光纖光源； 輸出功率； 平均波長穩(wěn)定性

中圖分類號： TN25?34； TM13 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）02?0122?04

Design of high stable light source circuit with power feedback

LIU Yanni1， WANG Mengda2

（1. Military Representative Office Positioned in 711 Research Institute， Shanghai 200011， China；

2. College of Automation， Harbin Engineering University， Harbin 150001， China）

Abstract： With the improvement of the demands for navigation accuracy， the fact that how to realize the acting point of the high?precision fiber?optic gyroscope （FOG） is explored deeply. Proceeding from the design of FOG light source， the high?power stability erbium?doped fiber light source based on feedback control was realized by rationally designing the high?precision TEC temperature control circuit and constant current LD drive and control circuit. The ideal test results of the hardware system were obtained in the test. The design of the light source hardware circuit can provide a reference for the light source design which can meet the requirements of high?precision FOG.

Keywords： fiber?optic gyroscope； erbium?doped fiber light source； output power； mean wavelength stability

0 引 言

最近幾年，高精度光纖陀螺成為國內外慣性導航領域的重點研究內容。到目前為止，國外千分之幾精度的光纖陀螺研制水平已經非常成熟，可以實現(xiàn)批量化生產并且在實際工程中廣泛使用。其中美國著名的霍尼韋爾（Honeywell）公司旗下的HPFOG型號光纖陀螺的零漂[1]已經低至0.000 23 （°）/h。聯(lián)信公司研制出零漂達到0.000 57 （°）/h的應用于衛(wèi)星定向等工作的精密級光纖陀螺。法國IXSEA公司出品的被用于超遠距離紅外天體觀測望遠鏡上的定向光纖陀螺的精度[2]亦達到了0.000 7 （°）/h。與此同時，我國各個科研機構也在著手研發(fā)高精度的光纖陀螺，并且成功取得了一些可喜的成果。其中，中國航天時代電子公司、北京航空航天大學、中國航天三院33所等單位研發(fā)的高精度光纖陀螺實驗樣機精度[3]已經可以達到0.001 （°）/h。對比國外高精度光纖陀螺實現(xiàn)技術，我國這方面科學研究水平稍顯不足，還有很大的進步空間。

光源是光纖陀螺的首要組成部分，光源的平均波長穩(wěn)定性、譜寬和輸出功率這三個性能參數(shù)指標對于光纖陀螺的高精度實現(xiàn)有著極其重要的意義。光源的譜寬較寬，可以有效地抑制由克爾效應、瑞利背向散射、偏振交叉偶合等引起的相位誤差，有助于保持陀螺儀的零偏穩(wěn)定性。其輸出功率較高可以提高光路系統(tǒng)的信噪比，有助于光纖陀螺的靈敏度的提高。其高穩(wěn)定性的平均波長可以有效抑制由于平均波長的波動引起的陀螺儀標度因數(shù)的變化，使得光纖陀螺標度因數(shù)能夠達到高穩(wěn)定性。綜上所述，光源性能參數(shù)是影響光纖陀螺的精度的重要因素[4?5]。

摻鉺光纖光源具有輸出功率高、寬譜、使用壽命長、平均波長穩(wěn)定性好等特點，是光纖陀螺最理想的光源。本文設計一種摻鉺光纖光源，使其性能參數(shù)可以達到滿足高精度光纖陀螺的使用。提出采用光源輸出功率作為反饋量，經過光電轉換電路轉換為電壓信號，并將該電壓信號與預期的設定值做差，運用偏差信號調節(jié)泵浦激光器的驅動電流，保證光源可以實現(xiàn)高穩(wěn)定性的輸出，把外界干擾對其影響降到最低。完成了摻鉺光纖光源的硬件電路設計和實現(xiàn)，為高精度光纖陀螺的研究奠定基礎。

1 方案設計

由摻鉺光纖光源的發(fā)光原理可知：泵浦激光器輸出的激光作為泵浦光，泵浦摻鉺光纖。在經過摻鉺光纖的自發(fā)輻射放大后，最終輸出可以供光纖陀螺使用的超熒光。假若泵浦激光器的工作狀態(tài)不能被有效的控制，那么輸入到摻鉺光纖的泵浦光的波長穩(wěn)定性和功率穩(wěn)定性也就不能保證，更不能保證最后摻鉺光纖的輸出效果。因此，本文所設計的摻鉺光纖光源電路即為泵浦激光器控制電路，其設計框圖如圖1所示。整個控制電路功能有兩個：一是通過溫度控制模塊使泵浦激光器的工作溫度恒定在室溫，可以穩(wěn)定泵浦激光器輸出波長；二是通過控制恒流LD驅動電路，使得流過LD激光二極管的電流為恒定常量，從而穩(wěn)定了泵浦激光器的輸出功率。

圖1 泵浦激光器控制電路設計框圖

2 硬件設計與實現(xiàn)

從泵浦光源控制電路設計框圖中可以看出，整個泵浦光源控制電路可以概括為兩大模塊：高精度TEC溫度控制模塊；恒流LD驅動控制模塊。高精度TEC溫度控制模塊包含TEC高精度溫度控制電路、可編程控制器和泵浦光源。恒流LD驅動控制模塊包含可編程控制器、光電轉換電器、D/A控制量電路、以及主要由運算放大器搭建的恒流源LD電路和泵浦光源。下面，分別敘述泵浦光源整體控制電路中涉及的每個組成電路的設計思路和原理。

2.1 高精度TEC溫度控制電路

LTC1923是Linear公司于2001年推出的專門用于高精度TEC溫度控制的集成芯片。LTC1923典型溫度設置點可以精確到0.1 ℃，通常情況下在LTC1923的前端加上儀表放大器LTC2053以提高溫度控制精度至0.01 ℃。

本文設計采用LTC1923高精度TEC溫度控制芯片作為溫控電路的核心器件，并且通過圍繞核心溫控芯片LTC1923進行配套電路設計，對泵浦激光器工作的環(huán)境進行嚴格的溫度控制[6?7]（穩(wěn)定在室溫25 ℃）。

具體溫度控制電路工作原理如下分析：泵浦激光器內部含有一個負溫度系數(shù)的熱敏電阻，熱敏電阻可以將其工作環(huán)境溫度的變化轉換為其兩端電壓的變化。LTC2053前置儀表放大器同相輸入端的輸入信號正是熱敏電阻的采樣電壓信號，該采樣信號與LTC2053反相端預先設定好的溫度參考電壓值（溫度設置參考點為25 ℃時，對應的參考電壓為1.25 V）的差值經過LTC2053放大10倍輸出。經過LTC2053放大10倍的信號輸入到LTC1923誤差放大器的同相端進一步進行放大。放大后的信號一方面從引腳EAOUT輸出，另一方面作為輸入信號進入LTC1923內部PWM比較器，與振蕩器輸出的三角波進行大小比較，輸出具有一定占空比的PWM控制信號。該控制信號進入邏輯電路判別器，最終從LTC1923的4個邏輯電平輸出引腳輸出控制信號。該控制信號控制H橋電路兩側輪流導通，使得LTC1923芯片可以在單一電源供電的情況下提供雙向TEC控制電流，實現(xiàn)半導體制冷器的制冷與加熱控制功能。整個溫度控制電路可以根據泵浦激光器內部溫度變化的實際情況，相應地控制TEC制冷或是加熱，從而可以使得其內部溫度恒定在25 ℃。

2.2 泵浦激光器恒流LD驅動電路

泵浦激光器恒流LD驅動電路由P溝道增強型場效應管、大功率三極管、激光二極管LD、運算放大器、兩個阻值大小相等的保護電阻、采樣電阻組成。設計采用MOS管與大功率三極管串聯(lián)方式驅動LD發(fā)光，其中通過可編程控制器輸出控制信號控制場效應管的柵極電平，進而控制泵浦激光器恒流LD電路是否導通。同時可編程控制器還可以通過改變輸送給D/A的數(shù)字量的大小，直接控制運算放大器正端的參考電壓值，進而調節(jié)泵浦激光器的LD的發(fā)光功率。

恒流源電路的運算放大器工作方式為串聯(lián)電流深度負反饋，由處于線性工作狀態(tài)時運算放大器輸入端虛短虛斷原理可知：

[U+≈U-] （1）

采樣電阻Rs上的電壓值應該等于運算放大器正端的參考電壓值Vref，流經采樣電阻Rs的電流大小可以近似表示為：

[Is=VrefRs] （2）

由式（2）可知，只要Rs和Vref的大小不變，流經采樣電阻Rs的電流Is的大小就不會發(fā)生變化，進而流經激光二極管LD的電流是恒定電流。

2.3 光電轉換電路

光電轉換電路的作用是將摻鉺光纖輸出光的功率轉化為電壓信號，從而可編程控制器可以根據該電壓信號反饋量的大小及時地調整輸出給DA芯片的數(shù)字量大小，DA芯片將輸入的數(shù)字量轉變?yōu)槟M量電壓信號輸出，以期最終達到穩(wěn)定輸出光功率的目的。目前實際中最常使用的光電轉換器件是半導體PIN光電二極管。

2.4 可編程控制器STM32控制電路

在整體的電路設計中我們選擇意法半導體公司出品的STM32F103C8T6微控制器作為可編程控制器。STM32F103C8T6微控制器是32位處理器，它的內核采用ARM Cortex?M3，該芯片與所有ARM工具和軟件兼容。該微控制器內部具有高達64 KB的閃存存儲器和20 KB的SRAM存儲器、2個12位ADC模數(shù)轉換器，極大程度上滿足了用戶的需求。

同時，為了方便用戶調試，該芯片可以提供串行線調試（SWD）和JTAG接口。正常工作時，該微控制器工作頻率為72 MHz、工作電壓范圍為2.0～3.6 V、工作環(huán)境溫度范圍為-40～85 ℃。

可編程控制器STM32F103C8T6可以有效地監(jiān)測各部分電路的工作狀態(tài)，并及時地進行控制。該微控制器的使用大大提升了整個系統(tǒng)的工作性能和穩(wěn)定性。

3 軟件設計與實現(xiàn)

系統(tǒng)簡單的程序設計流程圖如圖2所示[8]。

在程序控制方面，主要通過STM32F103C8T6單片機實現(xiàn)對于整個系統(tǒng)的實時控制，并且在系統(tǒng)工作狀態(tài)異常的情況下可以使系統(tǒng)重新啟動。

4 光源性能測試

光源性能對于高精度光纖陀螺來說至關重要，高精度光纖陀螺對于光源的譜寬、輸出功率穩(wěn)定性、平均波長穩(wěn)定性有著嚴格的要求。

本文設計的內容為泵浦光源的控制電路。為了驗證硬件電路設計的最終效果，使用實驗室已有的摻鉺光纖光源光路系統(tǒng)與本文所設計的摻鉺光纖光源電路控制系統(tǒng)聯(lián)調進行實驗測試。

如圖3所示為光源在開放的實驗室環(huán)境條件下的輸出功率值（+8.5 dBm即為7.079 mW）。

圖2 程序設計流程圖

圖3 常溫下?lián)姐s光纖光源的輸出功率示意圖

如圖4所示為采用光譜分析儀分析光路輸出的超熒光的光譜結果，從圖中可以看出，泵浦光在經過光路系統(tǒng)之后，輸出的超熒光的譜寬高36.154 nm。

圖4 光源輸出光譜測試結果圖

如圖5所示為光源輸出光功率溫度穩(wěn)定性測試圖。測試中，將整體的光源置于溫箱中，設定溫箱運行程序，使得溫箱內部溫度值變化范圍是從-20 ℃逐步升溫到50 ℃，每隔2 s記錄一次平均波長數(shù)值。通過圖5可以看出，摻鉺光纖光源的輸出功率波動的最大范圍約為0.13 mW。由下式可以計算出輸出功率的穩(wěn)定度：

[Pmax-PminP平均=0.137.721×100%=1.68%] （3）

圖5 光源輸出功率穩(wěn)定性測試結果圖

如圖6所示為光源輸出光平均波長溫度穩(wěn)定性測試圖。測試中，將整體的光源置于溫箱中，設定溫箱運行程序，使得溫箱內部溫度值變化范圍是從-20 ℃逐步升溫到50 ℃，每隔1 min記錄1次平均波長數(shù)值。

圖6 變溫環(huán)境中光源平均波長穩(wěn)定性測試結果圖

通過圖6可以看出在測試的起初階段光源的平均波長隨溫度變化較大，后來趨于穩(wěn)定，波動范圍較小。在整個測試時間中平均波長變化的最大范圍約為0.13 nm。由下式可以計算出光源平均波長溫度穩(wěn)定性為：

[λmax-λminλ平均=0.13×1061 544.153×70=1.21 ppm/oC] （4）

5 結 語

本文旨在設計一種功率反饋式摻鉺光纖光源以滿足高精度光纖陀螺的需求。得到了一個輸出功率大于7 mW，功率穩(wěn)定性為1.68%。平均波長溫度穩(wěn)定性為1.21 ppm/℃的摻鉺光纖光源，其性能可以很好地滿足一般精度光纖陀螺對光源的要求，同時也可以作為實現(xiàn)滿足高精度光纖陀螺要求的光源設計的一種參考。

參考文獻

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