面向混沌激光器的高精度溫控與驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

楊帥軍，張建忠，劉 毅，趙 彤，喬麗君，于小雨，，徐紅春，余向紅，張明江

1)太原理工大學(xué)新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西太原030024；2)太原理工大學(xué)物理與光電工程學(xué)院,光電工程研究所,山西太原030024；3)武漢光迅科技股份有限公司, 湖北武漢430070

近幾年，混沌信號(hào)在通信、傳感及信息安全等領(lǐng)域顯現(xiàn)出重要的應(yīng)用價(jià)值[1-4].目前混沌信號(hào)的產(chǎn)生主要有2種方式：① 分立器件產(chǎn)生混沌信號(hào)；② 集成混沌激光器產(chǎn)生混沌信號(hào).但分立器件產(chǎn)生混沌信號(hào)，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且易受環(huán)境影響，輸出不穩(wěn)定，不利于混沌信號(hào)的應(yīng)用[5-6].集成混沌激光器作為一種新型的光電子器件，具有體積小、易與其他系統(tǒng)集成和可以輸出穩(wěn)定可靠的寬帶混沌信號(hào)等優(yōu)點(diǎn)，成為現(xiàn)在的研究熱點(diǎn)[7].混沌激光器使用砷化鎵及磷化銦等材料作為增益介質(zhì)，其特性對(duì)溫度很敏感[8]，而溫度的變化對(duì)激光器的波長(zhǎng)和閾值電流均有影響[9]，最終將導(dǎo)致激光器輸出混沌狀態(tài)不穩(wěn)定.并且偏置電流對(duì)激光器進(jìn)入混沌的路徑以及輸出的混沌信號(hào)狀態(tài)都有重要的影響[10]，因此對(duì)混沌激光器進(jìn)行高精度溫度控制和直流驅(qū)動(dòng)控制十分重要.

現(xiàn)有激光器的溫控源與驅(qū)動(dòng)源體積較大且價(jià)格昂貴，不利于系統(tǒng)的控制和集成[11]，且控制精度較低，如ILX Lightwave公司的LDT-5412溫度控制精度為0.1 ℃，LDX-3412的電流調(diào)節(jié)精度為0.1 mA，無法滿足混沌激光器穩(wěn)定運(yùn)行的要求[12].本研究采用Analog Device(ADI)公司的高控溫精度芯片ADN8830作為溫控電路的主控芯片，并設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和功率放大電路，從而構(gòu)成完整的閉環(huán)溫度控制結(jié)構(gòu).直流驅(qū)動(dòng)模塊采用ADN2830作為主控芯片，并結(jié)合高精度、雙通道的數(shù)字電位計(jì)AD5172實(shí)現(xiàn)精確控制激光器注入電流的目的.上位機(jī)通過調(diào)用LabVIEW中的VISA節(jié)點(diǎn)函數(shù)，構(gòu)建基于串口通信的硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電路系統(tǒng)的控制.實(shí)驗(yàn)證明，本研究所設(shè)計(jì)面向混沌激光器的高精度溫控與直流驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)可以在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行.

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)混沌激光器對(duì)工作溫度和注入電流的高精度要求，設(shè)計(jì)了一套面向混沌激光器的高精度溫控與直流驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng).該系統(tǒng)主要包括溫度控制模塊、直流驅(qū)動(dòng)模塊及上位機(jī)控制模塊.系統(tǒng)以單片機(jī)STM32作為主控制芯片.溫控模塊采用ADN8830芯片并設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成閉環(huán)溫度控制結(jié)構(gòu)，最終實(shí)現(xiàn)高精度的溫度控制目標(biāo).直流驅(qū)動(dòng)模塊采用ADN2830芯片并結(jié)合數(shù)字電位計(jì)實(shí)現(xiàn)高精度驅(qū)動(dòng)控制.系統(tǒng)的整體框圖如圖1.

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 System block diagram

2 溫度控制模塊

2.1 溫度采集電路

ADN8830芯片是一款具有高輸出效率的開關(guān)模式的單芯片半導(dǎo)體熱電制冷器(thermoelectric cooler, TEC)控制器.TEC是一種基于Peltire效應(yīng)的器件[13]，當(dāng)對(duì)TEC加載直流電流時(shí)，熱量由TEC的一側(cè)傳送給另一側(cè)，此時(shí)制冷器的一端溫度降低，而另一端的溫度升高.溫度降低的一端稱為冷端，溫度升高的一端稱為熱端.當(dāng)加載在TEC兩端的電流方向相反時(shí)，制冷端與制熱端反轉(zhuǎn).溫度控制電路通過對(duì)激光器內(nèi)部的熱敏電阻進(jìn)行監(jiān)測(cè)，自動(dòng)調(diào)節(jié)TEC驅(qū)動(dòng)電流的大小和方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器的溫度控制.

ADN8830內(nèi)部集成了參考電壓發(fā)生器、溫度信號(hào)測(cè)量誤差放大器、PID補(bǔ)償放大器、震蕩器、脈寬調(diào)制控制器及場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)器6個(gè)模塊.

溫度設(shè)定功能可分為溫度固定型和溫度可調(diào)型，本系統(tǒng)為溫度可調(diào)型.該方法對(duì)目標(biāo)溫度的設(shè)定和調(diào)節(jié)均由外圍電路完成.電路通過一個(gè)H橋電阻網(wǎng)絡(luò)將熱敏電阻(Rth)連接到誤差放大器上，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器溫度的監(jiān)測(cè)，如圖2. ADN8830的THERMIN端(2腳)為測(cè)溫輸入端，在參考電壓VREF端(7腳)和THERMIN端之間接入電阻R4， THERMIN端和地之間接入熱敏電阻Rth， 利用分壓網(wǎng)絡(luò)將VREF端的參考電壓引入到THERMIN端. TEMPSET端(4腳)為目標(biāo)溫度設(shè)置腳.為實(shí)現(xiàn)溫度可調(diào)節(jié)，在TEMPSET端接入一個(gè)比普通電位器精確，且可由單片機(jī)STM32直接設(shè)置阻值的高精度數(shù)字電位計(jì)AD5172，并配以串、并聯(lián)電阻調(diào)節(jié)激光器目標(biāo)溫度，滿足高精度溫度控制目標(biāo).激光器目標(biāo)溫度值對(duì)應(yīng)的等效電阻R為

(1)

其中，電阻R0決定激光器的目標(biāo)溫度范圍；電阻R2決定溫度調(diào)節(jié)的精度；R3為數(shù)字電位計(jì)輸出電阻值.R與R4、R1、Rth組成H橋網(wǎng)絡(luò)，電橋平衡時(shí)激光器達(dá)到目標(biāo)溫度值.

圖2 溫度采集模塊簡(jiǎn)化圖Fig.2 Simplified diagram of temperature acquisition module

圖2中R4的阻值為

(2)

其中，RT1和RT3分別代表熱敏電阻在上下兩個(gè)極限溫度時(shí)的阻值；RT2為熱敏電阻在平均溫度時(shí)的阻值，其對(duì)應(yīng)值分別為25.40 kΩ、4.37 kΩ和10.00 kΩ.以上電阻均采用0.3%的高精度、高熱穩(wěn)定性的精密電阻.通過計(jì)算得出R4的值為7.68 kΩ.

2.2 TEC驅(qū)動(dòng)電流控制與放大電路

與傳統(tǒng)的脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation, PWM)驅(qū)動(dòng)開關(guān)輸出TEC控制器不同的是，ADN8830采用一半PWM輸出，一半線性輸出的驅(qū)動(dòng)方式，并采用FDW2520芯片增強(qiáng)電路的驅(qū)動(dòng)能力.FDW2520芯片內(nèi)部集成了一個(gè)N溝道和一個(gè)P溝道的半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體開關(guān)管，2只功率管為互補(bǔ)輸出型.線性工作模式可以減少H橋功率的損耗，PWM工作模式可以提高控制精度.PWM工作模式需要對(duì)TEC兩端的脈沖電流進(jìn)行濾波.濾波網(wǎng)絡(luò)主要考慮通過電感的額定電流、濾波輸出的紋波系數(shù)和PWM的開關(guān)頻率.濾波電路的阻尼系數(shù)為

(3)

考慮ζ必須大于0.05，取L=4.7 μH，c=22 μF. 通過計(jì)算回路的阻尼系數(shù)為0.092，可以保證TEC建立時(shí)間的合理性.

2.3 PID溫度補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)

由ADN8830的結(jié)構(gòu)原理可知，溫度采集信號(hào)與目標(biāo)溫度值差分放大后，經(jīng)過內(nèi)置補(bǔ)償放大器進(jìn)行積分補(bǔ)償，調(diào)節(jié)TEC的響應(yīng)時(shí)間以及溫度控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性.為了對(duì)激光器的溫度進(jìn)行更加精確的控制，通常設(shè)計(jì)比例-積分-微分(proportion-integral-differential，PID)溫度補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò).

PID控制是工業(yè)過程中應(yīng)用最廣泛的策略之一，是溫度控制環(huán)路中的關(guān)鍵，是高精度控制的重要保障.PID算法的數(shù)學(xué)模型[14]為：

(4)

其中：KP為比例系數(shù)；T1為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù). PID控制參數(shù)會(huì)直接影響系統(tǒng)的控制效果，因此，選取合適的優(yōu)化方案十分重要.對(duì)于圖3中的PID網(wǎng)絡(luò)通?？赏ㄟ^以下步驟優(yōu)化參數(shù).

1) 電容C9短路，電容C11開路，僅留下電阻R5和R6， 構(gòu)成簡(jiǎn)單補(bǔ)償比例網(wǎng)絡(luò).

2) 增大R6/R5的比值，直至TEC兩端的電壓開始震蕩，然后再把R6/R5的值降為原來的1/2.

3) 將電容C9串接到PID網(wǎng)絡(luò)中，調(diào)節(jié)電容C9的值，使TEC兩端的電壓開始震蕩，然后將C9增大至原來的2倍.

4) 電阻R7短路，增大C11的值，直至TEC兩端的電壓開始震蕩，重新連接電阻R7， 此時(shí)減小C11或者增大R7均可以消除震蕩.通常來說，R7要遠(yuǎn)大于R5，C11要比C9小1個(gè)至多個(gè)數(shù)量級(jí).

5) 在以上調(diào)節(jié)中，需要觀察輸出電壓的建立時(shí)間.最終根據(jù)最小建立時(shí)間的需要和消除輸出電壓過沖的影響，減小R7、C9和C11的值.

6) 增加電容C10， 可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低噪聲的敏感性.

根據(jù)以上步驟，本文設(shè)計(jì)如圖3的PID網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)C9=10 μF、C10=330 pF、C11=1 μF、R7=1.004 7 MΩ、R5=1 MΩ和R6=100 kΩ時(shí)，溫度調(diào)節(jié)時(shí)間小于15 s，溫度調(diào)節(jié)精度可達(dá)0.01 ℃.

圖3 PID溫度補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)Fig.3 PID compensation network of temperature

3 直流驅(qū)動(dòng)模塊

激光器對(duì)電流變化的承受能力較差，靜電、高壓、涌浪電流以及電網(wǎng)沖擊等都會(huì)對(duì)激光器造成永久性損壞，所以，對(duì)激光器的注入電流進(jìn)行精確控制十分必要.直流驅(qū)動(dòng)電路采用ADN2830作為主控芯片.ADN2830芯片通過改變流入激光器的偏置電流調(diào)整激光器的輸出光功率.圖4為驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)框圖，其中，芯片的PSET端(4腳)處的電壓維持在1.23 V恒定，PSET的電阻如式(5)，由此可見，改變RPSET阻值，激光器的注入電流發(fā)生變化，可實(shí)現(xiàn)激光器輸出光功率可調(diào)節(jié)的目的.

圖4 驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)框圖Fig.4 System block diagram of direct current driver

(5)

為了能夠較準(zhǔn)確的對(duì)激光器的注入電流進(jìn)行控制，同樣采用數(shù)字電位計(jì)AD5172代替電阻RPSET. 數(shù)字電位計(jì)的輸出電阻值

(6)

其中，D為AD5172輸出的電阻值的十進(jìn)制表示法；RAB為數(shù)字電位計(jì)輸出的端電阻值；RW為數(shù)字電位計(jì)的滑臂電阻值.

4 上位機(jī)控制模塊

為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸功能，提高儀器智能化[15]，本研究設(shè)計(jì)一套PC機(jī)為上位機(jī)，STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)為下位機(jī)的串口通信數(shù)據(jù)系統(tǒng).上位機(jī)控制模塊的實(shí)現(xiàn)使操作更加方便、簡(jiǎn)潔且人性化.

4.1 上位機(jī)通信電路設(shè)計(jì)

基于串口通信的上位機(jī)控制電路模塊主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)和CH340通信電路組成.上位機(jī)與下位機(jī)的串口通信過程如圖5.上位機(jī)通過USB數(shù)據(jù)線連接CH340通信電路模塊.CH340的串行數(shù)據(jù)輸出端(TXD)和串行數(shù)據(jù)輸入端(RXD)分別與單片機(jī)的RXD端和TXD端實(shí)現(xiàn)交叉連接，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸目的.

圖5 串口通信模塊Fig.5 Serial communication module

4.2 LabVIEW上位機(jī)控制模塊設(shè)計(jì)

LabVIEW是美國(guó)國(guó)家儀器(National Instruments，NI)公司開發(fā)的圖形化編程平臺(tái)，具有強(qiáng)大的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理與顯示功能.通過調(diào)用LabVIEW中的VISA節(jié)點(diǎn)函數(shù)，構(gòu)建基于已有設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸與控制平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)控制目標(biāo).

LabVIEW上位機(jī)控制系統(tǒng)按照功能可分為串口初始化模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊.串口初始化模塊的核心部分是VISA配置串口函數(shù)的調(diào)用.VISA配置串口函數(shù)中的VISA資源名稱端口連接的是上位機(jī)的通信串口號(hào)，其他配置還包括波特率、停止位、校驗(yàn)位以及數(shù)據(jù)位等.數(shù)據(jù)發(fā)送模塊的核心部分是VISA寫入函數(shù).此函數(shù)的功能是將寫入緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)寫入VISA資源名稱指定的設(shè)備或接口.圖6為設(shè)計(jì)的LabVIEW串口通信系統(tǒng)程序框圖.

圖6 上位機(jī)控制模塊系統(tǒng)框圖Fig.6 Block diagram of host computer control module

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖7為本文研制的面向混沌激光器的溫控與直流驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)實(shí)物圖.其中，1為直流驅(qū)動(dòng)模塊；2為溫度控制模塊；3為上位機(jī)控制模塊；4為電源模塊.

圖7 混沌激光器的溫控與直流驅(qū)動(dòng)電路實(shí)物圖Fig.7 Temperature controller and direct current driver system for chaotic laser

測(cè)試該電路系統(tǒng)時(shí)所采用的激光器為實(shí)驗(yàn)室自行研制的集成混沌半導(dǎo)體激光器.當(dāng)激光器的工作溫度與預(yù)設(shè)溫度相同時(shí)，ADN8830的TEMPLOCK端(5腳)輸出高電平，激光器達(dá)到預(yù)設(shè)溫度，此時(shí)TEMPLOCK端的發(fā)光二極管發(fā)光.同時(shí)還設(shè)計(jì)了上位機(jī)運(yùn)行指示燈，當(dāng)上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)成功后，指示燈的狀態(tài)發(fā)生改變.實(shí)驗(yàn)中通過上位機(jī)改變數(shù)字電位計(jì)的輸出電阻，從而實(shí)現(xiàn)激光器溫度與驅(qū)動(dòng)電流可調(diào).數(shù)字電位計(jì)的輸出電阻變化范圍為0～10 kΩ，此時(shí)激光器的溫度控制范圍為18.09～42.02 ℃.數(shù)字電位計(jì)以步進(jìn)電阻值輸出時(shí)，混沌激光器輸出光譜的中心波長(zhǎng)調(diào)節(jié)精度為0.001 nm，其對(duì)應(yīng)的溫度調(diào)節(jié)精度為0.01 ℃，如圖8.

直流驅(qū)動(dòng)模塊通過調(diào)節(jié)數(shù)字電位計(jì)AD5172的輸出電阻，改變激光器的注入電流.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證注入電流的范圍為2.3～60.5 mA，電流調(diào)節(jié)精度為0.01 mA. 通過測(cè)試激光器的注入電流與輸出光功率，得到混沌激光器的P-I特性曲線如圖9(a). 為測(cè)試溫度、驅(qū)動(dòng)控制的穩(wěn)定性，設(shè)置激光器的輸出光功率恒定為1.400 mW，對(duì)激光器的輸出光功率進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)并記錄數(shù)據(jù)，得出激光器在連續(xù)3 h內(nèi)輸出光功率偏移為±0.001 mW. 由此得出，激光器輸出功率穩(wěn)定，溫度控制穩(wěn)定，測(cè)試結(jié)果如圖9(b). 同理設(shè)置驅(qū)動(dòng)電流恒定輸出21.190 mA，對(duì)驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)并記錄數(shù)據(jù).實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,連續(xù)2 h內(nèi)輸出電流誤差為±0.005 mA，測(cè)試結(jié)果如圖9(c).

圖8 混沌激光器輸出光譜圖Fig.8 Optical spectrum of the chaotic laser

圖9 混沌激光器的溫控與直流驅(qū)動(dòng)電路結(jié)果測(cè)試圖Fig.9 Test results of temperature controller and direct current driver system for chaotic laser

結(jié) 語

本研究設(shè)計(jì)了基于ADN8830的混沌激光器溫度控制電路，可以有效地對(duì)激光器的工作溫度進(jìn)行控制，保證激光器輸出波長(zhǎng)的穩(wěn)定性.溫度控制范圍為18.09～42.02 ℃,調(diào)節(jié)精度為0.01 ℃.基于ADN2830的激光器直流驅(qū)動(dòng)控制電路，可以有效改變激光器的注入電流，實(shí)現(xiàn)高精度的驅(qū)動(dòng)控制目標(biāo).驅(qū)動(dòng)模塊電流輸出范圍為2.3～60.5 mA，電流調(diào)節(jié)精度為0.01 mA. 通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)激光器輸出光功率為1.400 mW時(shí)，連續(xù)運(yùn)行3 h，輸出光功率偏移為±0.001 mW，系統(tǒng)穩(wěn)定性良好.