用于TDLAS 氣體檢測(cè)的DFB 激光器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

徐鵬飛，李煒楠，陳紅巖，葉有祥

（1.中國(guó)計(jì)量大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.中國(guó)計(jì)量大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院，浙江 義烏 322000）

0 引 言

可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, TDLAS）技術(shù)具有靈敏度高、通用性強(qiáng)、響應(yīng)時(shí)間短等特點(diǎn)，在大氣污染物監(jiān)測(cè)、礦井氣體濃度檢測(cè)等方面取得了廣泛應(yīng)用[1-4]。TDLAS 氣體檢測(cè)通常利用含有低頻鋸齒波和高頻正弦波的電流信號(hào)對(duì)激光器調(diào)制，以使出射激光掃描待測(cè)氣體的吸收譜線，激光被待測(cè)氣體吸收后光強(qiáng)減弱，從而形成氣體吸收峰，吸收峰幅值與氣體濃度呈正相關(guān)，從而可以反演出待測(cè)氣體濃度[5-7]。

分布反饋（Distributed Feedback, DFB）激光器是TDLAS 技術(shù)常用的光源之一，其出光特性受到驅(qū)動(dòng)電流和自身溫度的雙重影響，兩者必須同時(shí)控制才能減少氣體濃度檢測(cè)的影響。文獻(xiàn)[8]中激光器的壓控恒流源驅(qū)動(dòng)僅考慮了瞬間靜電或過(guò)大電流的情況，然而不同激光器所能承受的最大電流不同，超過(guò)最大電流后便可對(duì)激光器造成不可逆的損壞。文獻(xiàn)[9]中采用模擬PID 對(duì)激光器內(nèi)部溫度進(jìn)行控制，最大溫度誤差為0.056 ℃；然而在實(shí)際使用中，激光器溫度誤差應(yīng)當(dāng)越小越好，較大的溫度誤差會(huì)導(dǎo)致吸收峰位置偏移，從而影響氣體檢測(cè)精度。

針對(duì)上述情況，本文設(shè)計(jì)一種可以限制最大驅(qū)動(dòng)電流、高精度溫控的DFB 激光器驅(qū)動(dòng)電路，保證了激光器在實(shí)際應(yīng)用中能安全穩(wěn)定的工作，滿足TDLAS 氣體檢測(cè)的實(shí)際需要。

1 驅(qū)動(dòng)電路整體結(jié)構(gòu)

DFB 激光器的內(nèi)部集成有熱電制冷器（Thermo Electric Cooler, TEC）、熱敏電阻（Thermistor, Th）、背光探測(cè)器（Photo Diode, PD）和激光二極管（Laser Diode,LD）。DFB 激光驅(qū)動(dòng)電路主要由激光器電流驅(qū)動(dòng)電路和激光器溫控電路兩部分構(gòu)成，整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。因?yàn)門(mén)DLAS 波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)主要利用鋸齒波和正弦波信號(hào)調(diào)制激光器發(fā)出光信號(hào)，故選用STM32F103RCT6 作為主控芯片，通過(guò)AD9834 產(chǎn)生正弦波，DAC8560 產(chǎn)生鋸齒波，兩個(gè)信號(hào)通過(guò)同相加法電路疊加后，輸入到壓控恒流源電路，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)，驅(qū)動(dòng)DFB激光器。溫度控制選用MAX1978 高精度溫度控制芯片，通過(guò)熱敏電阻為MAX1978 反饋激光器內(nèi)部溫度變化情況，MAX1978 通過(guò)控制TEC 的電流大小和方向變化來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度控制。

圖1 驅(qū)動(dòng)電路整體結(jié)構(gòu)

2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

2.1 正弦波信號(hào)電路

正弦波信號(hào)采用STM32RCT6 控制AD9834 產(chǎn)生。AD9834 具有低成本、低功耗的DDS 芯片，時(shí)鐘速率為75 MHz 時(shí)可實(shí)現(xiàn)0.28 Hz 分辨率[10]。圖2 為正弦波發(fā)生電路。

圖2 正弦波發(fā)生電路

AD9834 輸出正弦波的幅值可通過(guò)調(diào)節(jié)1 腳電壓值來(lái)改變內(nèi)部的滿量程電流IF實(shí)現(xiàn)，IF表達(dá)式為：

式中：Vref為AD9834 內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓；Vset為R1和RP1在R2上產(chǎn)生的分壓。AD9834 的輸出頻率fout為：

式中：fMCLK為參考時(shí)鐘頻率；FREQ 為頻率控制字。

2.2 鋸齒波信號(hào)電路

鋸齒波信號(hào)采用STM32RCT6 控制16 位單通道數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC8560 產(chǎn)生，該芯片具有超低干擾、低功耗、低溫度漂移的特點(diǎn)，具有極佳的線性和極低的毛刺脈沖[11]。上電后可輸出穩(wěn)定的鋸齒波，確保激光器不會(huì)因?yàn)橥蛔兊碾娦盘?hào)造成不可逆的損壞。圖3 所示為鋸齒波發(fā)生電路。

圖3 鋸齒波發(fā)生電路

2.3 信號(hào)疊加電路

信號(hào)疊加電路采用同相加法器將鋸齒波信號(hào)和正弦波信號(hào)進(jìn)行疊加。圖4 所示為信號(hào)疊加電路。V1、V2表示分別輸入正弦波和鋸齒波，V3由電位器分壓提供直流偏置，便于在更換不同激光器后根據(jù)不同的激光器參數(shù)和應(yīng)用場(chǎng)合調(diào)整合適的驅(qū)動(dòng)信號(hào)范圍。

信號(hào)疊加電路的輸出Vout表達(dá)式為：

2.4 壓控恒流源電路

恒流源電路選擇熱穩(wěn)定性好、導(dǎo)通電阻小、噪聲系數(shù)小的場(chǎng)效應(yīng)管作為壓控恒流源的核心器件，利用其工作在飽和區(qū)的恒流特性實(shí)現(xiàn)恒流功能，將信號(hào)疊加電路輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)驅(qū)動(dòng)激光器[12]。圖5所示為壓控恒流源電路。

圖5 壓控恒流源電路

信號(hào)疊加電路輸出電壓由Vin進(jìn)入，流過(guò)場(chǎng)效應(yīng)管Q2的電流大小與R5上的電流一致。電路中運(yùn)放U1起到電壓比較器的作用，反相端收到R5反饋的電壓后，與同相端輸入Vmax比較（Vmax可以是DAC 輸入也可以是分壓電路輸入），通過(guò)輸出高低電平的方式控制場(chǎng)效應(yīng)管Q1的通斷，從而限制流過(guò)激光器的最大電流。本文限制Vmax為900 mV，R5選擇10 Ω，即最大電流為90 mA。

2.5 TEC 溫控電路

MAX1978 是美信公司開(kāi)發(fā)的TEC 溫控管理芯片，其結(jié)構(gòu)如圖6 所示。該芯片將傳統(tǒng)溫控電路所需的差分增益電路、PWM 控制器、場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路集成在內(nèi)部，大大縮小了電路體積，降低了功耗，通過(guò)配置外圍電路便可對(duì)TEC 的驅(qū)動(dòng)電壓和電流進(jìn)行設(shè)置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器溫度的控制[13]。TEG 溫控電路圖如圖7 所示。

圖6 MAX1978 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖7 TEC 溫控電路

DFB 激光器NTC 在25 ℃時(shí)的典型值為10 kΩ，電橋電路R11選取阻值為10 kΩ 的高精密、低溫漂電阻，即可設(shè)置DFB 激光器為25 ℃。通過(guò)由R9、R10、R11和熱敏電阻Th構(gòu)成的電橋電路為MAX1978 反饋溫度變化情況，配合由14、15、17 腳連接的外部比例積分電路，對(duì)激光器溫度進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

調(diào)節(jié)方程為：

熱敏電阻阻值與溫度的關(guān)系式為：

式中：T1為熱敏電阻溫度，即激光器溫度；T2為298.15 K；為熱敏電阻阻值；為10 kΩ；B為固定值3 950。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)中，激光器使用LD-PD INC 公司的中心波長(zhǎng)為1 653.7 nm 的14 腳蝶形甲烷DFB 激光器，如圖8 所示。

圖8 DFB 激光器

激光器在上電之前，先使用KEYSIGHT-DSOX1204G示波器檢查驅(qū)動(dòng)電路各點(diǎn)位電壓信號(hào)是否在正常范圍之內(nèi)，以免因操作失誤損壞激光器。正弦波信號(hào)和鋸齒波信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)疊加電路后，輸出波形如圖9 所示。

圖9 信號(hào)疊加電路輸出波形

使用UNIT-UT61E 數(shù)字萬(wàn)用表對(duì)壓控恒流源輸出進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表1 所示。輸出電流最大相對(duì)誤差為0.1%，當(dāng)電壓超過(guò)900 mV 后，輸出電流被限制在90 mA以下，起到了限制最大電流的作用。

表1 壓控恒流源輸出測(cè)試

TEC 溫控電路中，使用UNIT-UT61E 數(shù)字萬(wàn)用表每隔20 s 測(cè)量一次MAX1978 芯片F(xiàn)B-腳的電壓，共測(cè)量6 min，通過(guò)式（5）計(jì)算出DFB 激光器的溫度，激光器溫度變化曲線如圖10 所示。

圖10 激光器溫度測(cè)試曲線

圖10 中，最高溫度為25.008 ℃，最低溫度為24.992 ℃。穩(wěn)定度公式為：

式中：Tmax為溫度最大值；Tmin為溫度最小值；為溫度平均值。由穩(wěn)定度公式計(jì)算出溫度穩(wěn)定度為0.072%，溫度控制精度優(yōu)于0.01 ℃。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖11 所示。

圖11 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

將DFB 激光器與Herriot 長(zhǎng)光程氣體吸收池連接，通入濃度為3 000 ppm 的甲烷，用光電探測(cè)器檢測(cè)激光經(jīng)過(guò)甲烷氣體吸收后的輸出信號(hào)。激光穿過(guò)甲烷氣體后出現(xiàn)了明顯且穩(wěn)定的吸收峰，經(jīng)過(guò)鎖相放大器可得到穩(wěn)定的二次諧波信號(hào)，如圖12 所示。故DFB 激光驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

圖12 吸收峰及二次諧波

4 結(jié) 語(yǔ)

在實(shí)際使用激光器時(shí)，應(yīng)當(dāng)同時(shí)考慮驅(qū)動(dòng)電流和激光器溫度對(duì)出光質(zhì)量的影響。本文設(shè)計(jì)帶有限流功能的激光器電流驅(qū)動(dòng)電路和高精度TEC 溫控電路。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明：電流驅(qū)動(dòng)電路輸出誤差小，激光器溫度控制精度高；在甲烷氣體檢測(cè)中能產(chǎn)生明顯的氣體吸收峰和二次諧波，滿足DFB 激光器在TDLAS 技術(shù)中的應(yīng)用需求。

注：本文通訊作者為陳紅巖。