用于近紅外氣體檢測的高穩(wěn)定性DFB激光器驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)*

王 昆,李 明,李亞萍

(1.河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系,鄭州 450046;2.華北水利水電大學(xué)信息工程學(xué)院,鄭州 450045)

用于近紅外氣體檢測的高穩(wěn)定性DFB激光器驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)*

王 昆1*,李 明1,李亞萍2

(1.河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系,鄭州 450046;2.華北水利水電大學(xué)信息工程學(xué)院,鄭州 450045)

以TMS320LF28335數(shù)字信號處理芯片為核心控制器,開發(fā)出用于近紅外氣體檢測的高穩(wěn)定性DFB激光器驅(qū)動(dòng)電源。在硬件電路設(shè)計(jì)方面,采用雙重電壓反饋控制方案,實(shí)現(xiàn)微小電流誤差和高穩(wěn)定電流輸出。同時(shí)具有慢啟動(dòng)、過流保護(hù)和靜電保護(hù)功能。在軟件設(shè)計(jì)方面,引入數(shù)字PID控制算法,進(jìn)一步消除了驅(qū)動(dòng)電流誤差。實(shí)驗(yàn)采用激射波長為1.742 μm的DFB激光器作為被驅(qū)動(dòng)對象,DFB激光器驅(qū)動(dòng)電源輸出線性度優(yōu)于99.97%,長期穩(wěn)定度為4×10-5,具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

反饋式激光器;Ziegler-Nichols PID算法;驅(qū)動(dòng)電源;紅外氣體檢測

由于非對稱分子在近紅外譜段有很強(qiáng)的吸收特性,具有“指紋”特性。利用在某一特定紅外波長的氣體吸收光強(qiáng)可以對氣體濃度進(jìn)行檢測[1-3]。DFB激光器工作溫度恒定時(shí),其發(fā)光光強(qiáng)與激射電流成正比[4-5]。由于DFB激光器需要通過注入載電流來工作,而其抗擊電流沖擊的能力卻不強(qiáng)。一方面,如果注入的載電流過大,就會(huì)將DFB激光器瞬間燒毀;另一方面,如果注入的載電流不穩(wěn)定,也會(huì)造成DFB激光器工作不穩(wěn)定,嚴(yán)重的甚至?xí)茐钠鋬?nèi)部電子元件,影響其使用壽命[6-8]?？紤]到商用級DFB激光器驅(qū)動(dòng)電源的穩(wěn)定性均不高的問題,結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目指標(biāo)的需求,引入雙重電壓反饋控制和數(shù)字式Ziegler-Nichols PID算法,設(shè)計(jì)的高穩(wěn)定性DFB激光器驅(qū)動(dòng)電源輸出線性度優(yōu)于99.97%,長期穩(wěn)定度為4×10-5。

1 驅(qū)動(dòng)電源硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)由壓控恒流源模塊,控制器模塊,保護(hù)電路模塊及電源供電管理模塊組成,如圖1所示。

控制器模塊采用TMS320LF28335數(shù)字信號處理芯片。壓控恒流源模塊采用模擬反饋和數(shù)字反饋的方式構(gòu)成雙閉環(huán)反饋,進(jìn)一步增加驅(qū)動(dòng)電流的穩(wěn)定性。其中,模擬反饋采用線性深度負(fù)反饋,增加系統(tǒng)的線性度和穩(wěn)定度。并且驅(qū)動(dòng)電源包括慢啟動(dòng)電、過流保護(hù)和靜電保護(hù)電路,能夠有效避免異常電流/電荷對DFB激光器的正常工作造成影響,從而保護(hù)DFB激光器。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

1.1 壓控恒流源模塊

壓控恒流源模塊采用雙重反饋控制方案,實(shí)現(xiàn)微小的電流誤差和高穩(wěn)定的電流輸出,如圖2所示。在標(biāo)號為Ⅰ的反饋環(huán)中,由于場效應(yīng)管的漏源極電流受柵源極電壓控制,以集成運(yùn)算放大器UA為核心構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng),根據(jù)其同相端電位與反相端電位相等的原則,通過控制加在其正輸入端的電壓控制穩(wěn)定電流的輸出[9]。

圖2 壓控恒流源模塊

同時(shí),為了使驅(qū)動(dòng)電流穩(wěn)定性進(jìn)一步提高,采用標(biāo)號為Ⅱ的反饋環(huán)路,通過反饋環(huán)節(jié)將電壓模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,與電流的預(yù)設(shè)量進(jìn)行比對,利用Ziegler-Nichols PID算法對集成運(yùn)算放大器UA同相輸入端的電壓進(jìn)行調(diào)整,從而大大提高了驅(qū)動(dòng)電流的穩(wěn)定性。

標(biāo)號為Ⅰ的反饋電路的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是注意不要產(chǎn)生自激振蕩現(xiàn)象使該電路不穩(wěn)定。過大的電容值會(huì)使系統(tǒng)建立動(dòng)態(tài)平衡的時(shí)間變長,而取值過小又達(dá)不到消除自激振蕩的目的,需要反復(fù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行取舍[10]。其中,壓控恒流源模塊中,DAC型號為LTC1655,ADC型號為LTC1864,兩者分辨率均為16位。

1.2 保護(hù)電路模塊

在延時(shí)軟啟動(dòng)電路方面,對經(jīng)典π型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了改進(jìn),借助NPN型達(dá)林頓晶體管的大電流來間接提高電容的等效容值,使它產(chǎn)生大電容的效果,如圖3所示。

圖3 延時(shí)軟啟動(dòng)電路

如果達(dá)林頓管的電流放大倍數(shù)為k,則在基極與地電位之間接入的電容C2就等效于在源極與地之間接入了容值為(1+k)C2的大電容。電源接通瞬間,Q1截止,它的初始射極輸出電流為零,外部電流通過接在達(dá)林頓管基極與集電極之間的電阻給電容C2充電,它的基極電位開始緩緩上升,當(dāng)超過截止電壓后,Q1和Q2的工作狀態(tài)由截止變?yōu)榉糯?發(fā)射極電流由初始狀態(tài)一直變大直至飽和。這樣激光器的開啟與關(guān)閉都能躲過上電與斷電瞬間的電網(wǎng)浪涌沖擊,具體的延遲時(shí)間與電阻R的取值有關(guān)。同時(shí),驅(qū)動(dòng)電源還包括過流保護(hù)電路,可以實(shí)時(shí)地監(jiān)控流過DFB激光器的電流,當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流超過閾值時(shí),可以切斷驅(qū)動(dòng)支路,保護(hù)DFB激光器。由于實(shí)際環(huán)境中存在靜電,在實(shí)驗(yàn)中如操作不當(dāng)會(huì)損壞DFB激光器。驅(qū)動(dòng)電源還包括靜電保護(hù)電路,將瞬態(tài)抑制二極管與DFB激光器反向并聯(lián),組成靜電通路,對DFB激光器進(jìn)行靜電保護(hù)。

2 Ziegler-Nichols PID算法

2.1 數(shù)字PID算法

由于傳統(tǒng)模擬PID控制參數(shù)一旦固定后就很難調(diào)整,給實(shí)際應(yīng)用帶來很大不便。隨著集成芯片技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字信號處理芯片大量涌現(xiàn),成為數(shù)字PID核心控制器[11-12]。數(shù)字PID就是對模擬PID在時(shí)間軸上離散化后進(jìn)行誤差量化,然后計(jì)算出比例項(xiàng)、積分項(xiàng)和差分項(xiàng),如式(1)所示:

u(k)=

(1)

式中:e(i)為第i次采樣時(shí),系統(tǒng)輸出的偏差值,T為系統(tǒng)采樣間隔時(shí)間,TI為積分周期,TD為微分周期。

2.2 Ziegler-Nichols工程整定方法

對于復(fù)雜的控制系統(tǒng),建立的數(shù)學(xué)模型很難真實(shí)的表達(dá)對應(yīng)系統(tǒng),甚至存在很大差異?？梢园驯豢叵到y(tǒng)看作成黑匣子[13],根據(jù)被控系統(tǒng)的輸出情況,確定最優(yōu)控制參數(shù)P、I和D。此方法已廣泛地應(yīng)用于控制領(lǐng)域中。

Ziegler-Nichols工程整定方法主要通過臨界法來尋求最優(yōu)P、I和D控制參數(shù)。其中經(jīng)驗(yàn)公式如表1所示。

表1 Ziegler-Nichols法經(jīng)驗(yàn)公式

操作步驟如下:

Step 1 初始化被控系統(tǒng),使系統(tǒng)不存在積分項(xiàng)和微分項(xiàng),只有比例項(xiàng);

Step 2 如圖4所示,逐步增加比例項(xiàng)參數(shù)直到系統(tǒng)輸出為等幅振蕩,此時(shí)比例項(xiàng)參數(shù)為臨界比例系數(shù)δpr和振蕩周期為Tpr;

Step 3 采用表1提供的經(jīng)驗(yàn)公式,確定控制參數(shù)P、I和D。

圖4 Ziegler-Nichols法臨界阻尼震蕩示意圖

圖5 DFB激光器驅(qū)動(dòng)電源實(shí)物圖

3 驅(qū)動(dòng)電源性能測試

DFB激光器驅(qū)動(dòng)電源實(shí)物圖如圖5所示。實(shí)驗(yàn)采用激射波長為1.742 μm的DFB激光器作為被驅(qū)動(dòng)對象。

3.1 DFB激光器驅(qū)動(dòng)測試

通過上述整定方式得到PID 3個(gè)參數(shù)分別為P=44.84,I=19.93,D=25.22。利用上述3個(gè)控制參數(shù),設(shè)定目標(biāo)驅(qū)動(dòng)電流為100 mA。驅(qū)動(dòng)電流測試曲線如圖6所示。

圖6 DFB激光器驅(qū)動(dòng)電流測試曲線

從圖6可以看出,驅(qū)動(dòng)電流于20 s后逐漸穩(wěn)定,控制精度優(yōu)于0.02 mA。

3.2 驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)線性度分析

驅(qū)動(dòng)電流線性度是衡量驅(qū)動(dòng)電源的重要指標(biāo)之一[14]。壓控恒流源的輸入電壓與驅(qū)動(dòng)電流成映射關(guān)系。實(shí)驗(yàn)中,通過改變輸入電壓來測量驅(qū)動(dòng)電流。將二者數(shù)據(jù)經(jīng)過擬合后,得到曲線如圖7所示。

圖7 驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)線性度實(shí)驗(yàn)曲線

圖8 系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電流穩(wěn)定度測試結(jié)果

結(jié)果顯示,最大驅(qū)動(dòng)電流偏差值為0.087 3 mA,線性度為99.97%,性能良好。

3.3 驅(qū)動(dòng)電源驅(qū)動(dòng)電流穩(wěn)定度分析

利用上述DFB激光器作為被驅(qū)動(dòng)對象,對驅(qū)動(dòng)電源驅(qū)動(dòng)電流的穩(wěn)定性進(jìn)行測試實(shí)驗(yàn),結(jié)果如圖8所示。

實(shí)驗(yàn)中,預(yù)設(shè)驅(qū)動(dòng)電流為100 mA,在大于220 h的長期測試,驅(qū)動(dòng)電流平均值為100.000 435 mA,與均值相差最大偏差值為0.000 439,穩(wěn)定度(220 h)為4×10-5。

4 結(jié)束語

基于硬件和軟件雙閉環(huán)反饋控制方案,實(shí)現(xiàn)微小電流誤差和高穩(wěn)定電流輸出。同時(shí)具有慢啟動(dòng)、過流保護(hù)和靜電保護(hù)功能。通過驅(qū)動(dòng)電源的性能測試,結(jié)果表明:設(shè)計(jì)的高穩(wěn)定性DFB激光器驅(qū)動(dòng)電源輸出線性度優(yōu)于99.97%,長期穩(wěn)定度為4×10-5,且具有慢啟動(dòng)、過流保護(hù)和靜電保護(hù)功能,使其免受損壞,增加了使用壽命,能夠?yàn)榻t外氣體檢測提供穩(wěn)定工作的供電保障,使檢測數(shù)據(jù)更精確。

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Design of High Stability DFB Driver Utilized in Near Infrared Gas Detection*

WANGKun1*,LIMing1,LIYaping2

(1.Department of Electrical Engineering,Henan Polytechnic,Zhengzhou 450046,China;2.School of Information Engineering,North China University of Water Resources and Electric Power,Zhengzhou 450045,China)

A high stability DFB(Distributed Feed Back)driver utilized in near infrared gas detection is designed,which is based on the core chip of TMS320LF28335 digital signal processor. In terms of hardware design,the double voltage feedback control architecture is used to achieve slight current error and highly stable current output with the features of slow start,over-current protection and electrostatic protection in the meanwhile time. In consider of software design,digital PID(Proportion Integral and Differential)control algorithm is used to further decrease the driving current error. A DFB laser with centre wavelength at 1.742 μm is utilized as a driving target in experiment,the linear of driving current of DFB lasers driver reaches 99.97%,and stability is 4×10-5,which behaves good significance in practice.

feedback laser;Ziegler-Nichols PID algorithm;driver power;infrared gas detection

項(xiàng)目來源:國家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAH09F00)

2016-03-10 修改日期:2016-05-29

C:1210;4320

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.02.035

TP271

A

1005-9490(2017)02-0435-04