TDLAS系统方案02-驱动设计

本文主要包括激光器的温度控制和激光器的电流驱动。稳定的温度，和合适的电流驱动，是让激光器正常工作的关键。

1. 激光器驱动总体方案

1.1  激光器的选择

本系统所测气体对象是甲烷，选择的气体吸收线在 1653.72nm 处。因此在选择激光器时，需要有大的输出功率，好的线性度，窄的光谱宽度，波长可调谐，且在 1653.72nm 附近，较高的边模抑制比。其封装形式主要分为TO封装和蝶形封装。

就现在而言，用于气体检测的激光器光源应用较广泛的有垂直腔面发射激光器（VCSEL）、分布式负反馈（DFB）激光器以及外腔可调谐半导体激光器。价格低廉、易集成为大面积阵列是 VCSEL 激光器的优点，但是可调谐的精度较差；可大范围地进行调谐是外腔可调谐激光器的优点，但是输出光的光功率线性度较差，而且容易出现跳模的情况；DFB 激光器与上述两种激光器相比，具有稳定性好，单模输出性良好，调节精度高，不受电磁干扰，耐高温等优点。其光栅在有源区，由于光栅对波长反射的选择性，作为光束反射面的光栅持续反馈与其固有波长相同的光束，因此其输出光是单纵模的激光。目前商用的 DFB 激光器购买方便，主要波长处于600um-1800um 间，可以覆盖大部分近红外区域。本论文的系统选择的便是 DFB激光器。

我们选择了国内公司生产的 DFB 激光器，蝶形封装带 14 个引脚，内含半导体制冷器 TEC。其工作中心波长为 1650nm，最大能调节到 1655nm。主要性能参数见表 1：

表 1 DFB 激光器性能参数表（25℃） 

驱动电流和工作温度对 DFB 激光器的输出光波长有影响，电流和温度与输出波长成正比。但是激光器工作本身会产生热量，使温度升高，导致温度的抖动会使得输出波长发生偏移，电流的不稳定也会导致波长的波动，这会对气体检测来说是不能接受的，两者必须保持稳定。另外为了防止电流浪涌、静电击穿等因素损坏激光器，必须给驱动加上自动保护功能。

2 . 恒流源模块设计

激光器的驱动方式主要由恒定电流模式和恒定功率模式。在利用 DFB 做气体检测的应用中，需要电流有很好的稳定性来保持激光的波长和窄谱线宽度，从而可以更好的保持在吸收峰附近。因此我们选择让激光器在保持电路稳定的模式下运行。在激光器电流驱动的设计中，程序控制中心是单片机，电压通过 MOS 管转化为电流，从而得到驱动电流。采样得到的信号经反馈回路返回给单片机，针对接受到的信号对电流输出进行修正，来保持电流的恒定。为了实时把握电流大小，且便于观察，用液晶模块显示了实时的电流。深度负反馈的利用，更好的提高了稳定性。为了让电流输出快速保持平衡，同时还使用了比率-积分-微分（PID）算法。最后，为了防止意外发生，确保激光器不至损坏，还设计了上电保护、延时保护、过流保护等模块。

恒流源的驱动电路图如下图1所示，运放 OP1 的同相输入端与设定电压 Uset 相连，输出与 MOS 管栅极相接，MOS 管的漏极与激光器相连，这样就实现了 OP1 的输出控制 MOS 的导通程度，从而为激光器提供驱动电流。在激光器与 MOS 管的通路上有一个作为采样电阻的精密电阻 Rs (1Ω) ，这使得 A 点的电压值为 IRs ，A 点的电压 Va 接入 OP2 的同相输入端，OP2 的输出端 Vb 接入 OP1 的负相输入端，形成负反馈回路。AD 将 OP2 的输出信号 Uc 转为数字信号送入单片机，单片机将电压设定值 Uset 与反映电流大小的采样电压Uc作比较，经过 PID 算法来控制Uset，OP1 最后来对输出电流进行自动调节。

图 1 恒流源驱动电路 

由虚短虚断原理，可得：

式中，R2 、R3 和 Rs 的电阻值都已知，设定电压 Uset 和电流呈线性关系。因此可以根据想要输出的电流值来设定 Uset 的大小。

3.  数模（D/A）转换和模数（A/D）转换设计

上文提到，MOS 管的导通程度由设置电压 Uset 来控制。而输入到放大器 OP1 中的信号是模拟量，而单片机输出的信号是数字量，因此需要通过数模（D/A）转换。而采样电阻 Rs 所采得的电压Va 需要输入到单片机中，所以采样后的模拟信号需要转换为数字信号，这就需要模数（A/D）转换芯片。无论对于 A/D 转换芯片和 D/A 转换芯片，需要着重考虑转换精度和转换速度这两个参数。

4. 保护电路设计 

DFB 激光器是精密的光学器件，价格昂贵，所以驱动时要格外注意。为了防止操作不当等意外的发生损坏激光器，本文进行了电路驱动保护电路的设计。主要包括限流保护和延时启动电路。

限流保护电路主要是限制驱动电流的大小，使之不会超过激光器的最大电流，避免烧毁激光器的情况发生。如图 2 所示。

图 2 限流保护电路

从电路原理图中可以看出，在恒流源驱动电路的基础上在激光器通路中增加了一个 MOS 管。运放 U3 的同相输入端接 DAC2，反相输入端接 U2 的输出。根据本系统所用激光器的 datasheet 得到最大电流不能超过 100mA，U2 的放大倍数为 10 倍，因此设置 DAC2 的输出为 1V。激光器注入电流小于 100m A 时，DAC2大于 U2 的输出，则 U3 的输出电压很高，使得 MOSSFT2 处于导通状态，不限制激光器运行；而当激光器注入电流大于 100m A 时，DAC2 小于 U2 的输出，U3 的输出较低，MOSSFT2 处于高阻状态，相当于断开，激光器没有电流注入，停止工作。 

延时启动电路的设计在激光器的应用中也是十分必要的。因为上电时电流会瞬间完成较大的跃升，跃升后的值一旦超过了激光器的极限工作电流，就会损伤激光器，缩短使用时限。而关断过程中电流的骤降也同样会对激光器造成损坏。因此本文设计了启动/断开延时电路，让电流的变化过程是缓慢进行。延时启动功能的实现，通常可以由 RC 电路来完成。这种方法是基于电容的充放电原理，性能受电容电阻影响，耗时长且不稳定。为了实现延时功能但同时避开以上缺点，本文采用的是软件来实现延时启动。延时时间要长于上电启动时间，这样可以避开浪涌，本文把时间定为3S ，这样等浪涌完全通过电路再对激光器进行上电，避开上电带来的冲击。

5.光源温控模块设计

激光器在工作时，即使电流保持恒定，由于工作会产生热量，散热不及时温度就会变高，而我们知道激光器的输出特性受温度的影响大于电流，不利于高精度测量，且激光器若长期工作在高温下寿命会缩短。因此高稳定度的温控对激光器而言十分重要。

本论文选择的国内公司生产的中心波长为 1650nm 的蝶型尾纤式封装激光器，14 管脚。内部包含热敏电阻、激光二极管（LD）、光电二极管（PD）和热电制冷器（TEC）。其中 PD 用于监测激光器的输出光功率，热敏电阻用于检测激光器的温度，而TEC 用于对激光器进行制冷或者加热。

本次设计正是利用热敏电阻所获取的激光器温度信息，来通过 TEC 来对激光器进行有效控制。具体的控制原理是由用户根据实际应用对激光器的温度进行设定，单片机将设定信号与激光器内部热敏电阻获得的反应温度的信号相比较，通过比较的结果来控制 TEC 电流，从而达到让激光器温度稳定的效果。

基于半导体材料制作的热敏电阻，通常根据温度随电阻值变化的关系，可分为负温度系数（NTC）型、正温度系数（PTC）型和临界温度系数（CTC）型。商用激光器内部集成的热敏电阻一般为 NTC 型。在工作温度范围内，其阻值随着温度的升高而降低。

除了热敏电阻，激光器中封装的热电制冷器（TEC）也是进行温度控制的重要器件。它是基于帕尔贴效应来制作的制冷器，一般用半导体材料。当两种不同的材料的导体连接后，接通电流，A 端会释放热量而 B 端会吸收热量，而让电流反向后，则 A 端会吸收热量而 B 端会释放热量。对应到半导体材料，P 型半导体与 N 型半导体连接形成热电偶。以 N 型材料为例，多子是电子，则热电势为负；P 型材料则相反。当电流流向是从 P 型材料流向 N 型材料，电子从正电势跑向负电势，此过程吸收而形成冷端；反方向则形成热端。通常用多个这样的热电偶串联或者并联以增强制热制冷效果。这是后续用电流控制激光器温度的基础。在使用时，需要注意保持 TEC 与散热器有良好接触，否则冷端热端温差过大，会导致 TEC 破裂，一直温差不能超过 70℃。另外，制冷器制冷会让表面发生结露现象，这对于激光器而言是绝对不能出现的，因此最好让冷面的工作温度保持在20℃附近。

温控模块采用 Linear 公司的 LTC1923 温控芯片设计温度控制单元，可用于对 TEC 的单向或者双向驱动。LTC1923 内部有精确温控回路，需要很少的外部元件就能稳定激光器的工作温度。其典型的温度精度为 0.1℃，若前端添加仪表放大器，能达到 0.01℃的精度。它的内部有 1 个脉冲调制比较器、1 个误差放大比较器和 2 个互补输出驱动，其典型应用电路图如下图 3 所示：

图 3 LTC1923典型应用电路图

误差放大器部分的主要电路部分如下图 4 所示。具体工作时，误差放大器的正相输入端与前一级运放相连，负相输入端通过电容电阻形成的电路与输出端相连，形成反馈回路。而脉冲调制器的输出是由内部振荡器产生的三角波幅值与误差放大器的输出间的大小决定的。它决定这流过 TEC 的电流方向，进而实现加热或制冷。为防止 TEC 出现电压过高的情况，芯片内部还存在一个钳位电路，来限制误差控制器的输出。除此以外，芯片内有 MOS 全桥开关电路，可以双向驱 TEC 以完成加热和冷却。LTC1923 在同步模式下，CT 和 RT 两引脚决定其工作频率， SDSYNC 引脚输出时钟信号；当其在自由模式下， PLL 的输入可以通过 PLLLPF 滤除高频率的信号，SDSYNC 引脚接受外部时钟信号。此外，LTC1923还提供了保护和监测功能，能够保护芯片，钳制电位和减少浪涌电流冲击。

图 4 误差放大器部分原理图