CN111799648B - 一种电流调谐半导体激光器的低温漂驱动电路 - Google Patents

Abstract

一种电流调谐半导体激光器的低温漂驱动电路，属于激光器驱动技术领域。本发明是为了解决现有恒流源电路结构复杂，占用空间大并且不具备闭环反馈功能，不能产生一个高稳定性、高精度的驱动电流问题。本发明所述的一种电流调谐半导体激光器的低温漂驱动电路，包括上位机、网络通信电路、微处理器单元、波形发生电路、滤波器电路、恒流源电路和温度监控模块。上位机设置任意某种波形，波形数据由网络通信电路传输至微处理器中，芯片生成的数字信号发送至波形发生电路进行数模转换，转换成电压信号通过滤波器电路和恒流源电路输出驱动电流，用温度监控模块进行反馈调节。本发明在激光器驱动领域和激光雷达测距领域具有良好的应用前景。

Description

一种电流调谐半导体激光器的低温漂驱动电路

技术领域

本发明属于激光器驱动技术领域，特别涉及电流调谐半导体激光器的驱动电路。

背景技术

电流调谐半导体激光器通过控制电流使波长发生改变，实现频率变化，而且成本低、结构紧凑、调制速度快，适合对动态物体进行测距，成为了调频连续波激光雷达测距技术的理想光源。在测量过程中，为了提高激光雷达的实际的测距分辨力和测距精度，必须保证测量使用的激光器输出激光功率稳定。在设计激光器驱动系统时，要充分考虑到输入电流信号的稳定性，从而能够保证激光器输出的稳定性，进而提高调频连续波激光雷达测距技术的测量精度，可以说激光器驱动源的稳定性是影响高精度测量的关键因素。基于以上情况，如何产生一个高稳定性、高精度的驱动电流是关键性问题。

由于电流调谐半导体激光器工作特性和自身结构的固有缺陷，导致了频率的非线性变化，而不能得到理想的线性调制信号，需要进行非线性校正。校正过程中需要不断的更新输出特定的波形，而传统的波形发生器存在输出波形有限、操作复杂、体积大等不足；激光器调谐频率由其驱动电流控制，即激光器输出信号的频率与其输入的恒流源输出驱动电流值有关。恒流源电路输出信号除了要满足波形精度高的要求外，还要具备输出电流信号不随负载阻抗改变而改变的恒定驱动电流的能力，但大多数恒流源内部电路结构复杂，占用空间大并且不具备闭环反馈的功能。

发明内容

本发明是为了解决现有恒流源电路结构复杂，占用空间大并且不具备闭环反馈功能，不能产生一个高稳定性、高精度的驱动电流的问题，现提供如下技术方案：

本发明所述的一种电流调谐半导体激光器的低温漂驱动电路，包括上位机、网络通信电路、微处理器单元、波形发生电路、滤波器电路、恒流源电路和温度监控模块；上位机的数字量信号输入输出端与网络通信电路的数字量信号输入输出端连接，网络通信电路的数字量信号输入输出端与微处理器单元的数字量信号输入输出端连接；微处理器单元的电压信号输出端连接温度监控模块的电压信号输入端；温度监控模块的电信号输出端连接微处理器单元的电信号输入端；微处理器单元的数字量信号输出端与波形发生电路的数字量信号输入端连接，波形发生电路的模拟电压信号输出端与滤波器电路的电压信号输入端连接，滤波器电路的电压信号输出端与恒流源电路的电压信号输入端连接，恒流源电路的电流信号输出端连接激光器的驱动电流信号输入端。

作为优选的是，微处理器单元为STM32F103ZET6芯片，STM32F103ZET6芯片的85、86、114、115、58、59、60、63、64、65、66、67、68、77、78和79号引脚同时与网络通信电路的数字量信号输出端连接。

作为优选的是，波形发生电路包括高速数模转换器AD5546芯片、IDT72V273芯片、运算放大器U4A、运算放大器U4B、16.384MHz晶振、去耦电容E1、去耦电容E2、滤波电容C5和滤波电容C6；IDT72V273芯片的1、2、60、80、79、78、77、76、75、74、71、72、70、66、64、62和61号引脚分别与STM32F103ZET6芯片的104、103、117、142、141、97、96、140、139、137、134、135、133、128、125、123和122号引脚相连；IDT72V273芯片的29、28、27、26、25、24、22、21、19、18、17、16、15、13、12和11号引脚分别与STM32F103ZET6芯片的18、19、20、21、22、26、27、28、29、35、36、40、41、43、44和45号引脚相连；IDT72V273芯片的31、32、34、35、37、38、40、41、42、43、45、47、49、50、52和53号引脚分别与高速数模转换器AD5546芯片的8、7、6、5、4、3、2、1、27、26、25、24、23、22、21和20号引脚相连；高速数模转换器AD5546芯片的13号引脚连接运算放大器U4A的输出端，高速数模转换器AD5546芯片的12号引脚连接运算放大器U4A的反相输入端，高速数模转换器AD5546芯片的14号引脚连接运算放大器U4B的反相输入端，高速数模转换器AD5546芯片的9号引脚和10号引脚均连接滤波电容C6的一端，滤波电容C6的另一端连接运算放大器U4B的反相输入端；高速数模转换器AD5546芯片的11号引脚连接16.384M晶振的3号引脚；运算放大器U4A的输出端连接滤波电容C5的一端，滤波电容C5的另一端连接运算放大器U4A的反相输入端，运算放大器U4A的同相输入端连接模拟地；运算放大器U4A的4号引脚分别连接-12V电源、去耦电容E2的一端，去耦电容E2的另一端连接模拟地；运算放大器U4A的8号引脚分别连接+12V电源、去耦电容E1的一端，去耦电容E1的另一端连接模拟地；运算放大器U4B的输出端连接滤波电容C6的一端；运算放大器U4B的同相输入端连接模拟地；运算放大器U4B的输出端作为波形发生电路的模拟电压信号输出端。

作为优选的是，运算放大器U4A和运算放大器U4B均为OP2177芯片，去耦电容E1的容值、去耦电容E2的容值和滤波电容C6的电容值均为10μF，滤波电容C5的容值为0.1μF。

作为优选的是，滤波器电路包括运算放大器U5A、运算放大器U5B、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、滤波电容C7、滤波电容C8、滤波电容C9、滤波电容C10、去耦电容E3、去耦电容E4；电阻R7的一端作为滤波器电路的电压信号输入端，运算放大器U5B的输出端作为滤波器电路的电压信号输出端，电阻R7的另一端分别与电阻R8的一端、滤波电容C7的一端相连；滤波电容C7的另一端连接运算放大器U5A的输出端，电阻R8的另一端分别与运算放大器U5A的同相输入端、滤波电容C8的一端相连，滤波电容C8的另一端连接模拟地；运算放大器U5A的反相输入端与运算放大器U5A的输出端连接；运算放大器U5A的8号引脚分别连接+12V电源、去耦电容E3的一端，去耦电容E3的另一端连接模拟地；运算放大器U5A的4号引脚分别连接-12V电源、去耦电容E4的一端，去耦电容E4的另一端连接模拟地；运算放大器U5A的输出端与电阻R9的一端相连，电阻R9的另一端分别与电阻R10的一端、滤波电容C9的一端相连，滤波电容C9的另一端连接运算放大器U5B的输出端；电阻R10的另一端分别与运算放大器U5B的同相输入端、滤波电容C10的一端相连，滤波电容C10的另一端连接模拟地；运算放大器U5B的反相输入端连接运算放大器U5B的输出端。

作为优选的是，运算放大器U5A和运算放大器U5B均为AD4610-2B芯片；电阻R7的阻值、电阻R8的阻值、电阻R9的阻值和电阻R10的阻值均为4700Ω；滤波电容C7的容值和滤波电容C9的容值均为560μF；滤波电容C8的容值和滤波电容C10的容值均为240pF；去耦电容E3的容值和去耦电容E4的容值均为10μF。

作为优选的是，恒流源电路包括差动集成放大器U6、电流放大器为U7、稳压器U8、场效应管Q1、场效应管Q2、场效应管Q3、场效应管Q4、分压电阻R1A、分压电阻R2A、分压电阻R3A、分压电阻R4A、采样电阻R1S、采样电阻R2S、采样电阻R3S、采样电阻R4S、电解电容ES1、磁珠LP1、磁珠LP2、磁珠LP3、磁珠LP4、去耦电容E5、去耦电容E6和去耦电容E7；差动集成放大器U6的同相输入端作为恒流源电路的电压信号输入端，差动集成放大器U6的反相输入端连接模拟地，差动集成放大器U6的1号引脚连接电流放大器U7的输出端；差动集成放大器U6的7号引脚分别与去耦电容E5的一端、磁珠LP2的一端相连，去耦电容E5的另一端连接模拟地，磁珠LP2的另一端连接+12V电源；差动集成放大器U6的4号引脚分别与去耦电容E6的一端、磁珠LP3的一端相连，去耦电容E6的另一端连接模拟地，磁珠LP3的另一端连接-12v电源；差动集成放大器U6的输出端与分压电阻R1A的一端相连；场效应管Q1的栅极连接分压电阻R1A的一端，场效应管Q2的栅极连接分压电阻R2A的一端，场效应管Q3的栅极连接分压电阻R3A的一端，场效应管Q4的栅极连接分压电阻R4A的一端；分压电阻R1A的另一端分别连接分压电阻R2A的另一端、分压电阻R3A的另一端和分压电阻R4A的另一端，分压电阻R2A的另一端分别连接分压电阻R3A的另一端和分压电阻R4A的另一端，分压电阻R3A的另一端连接分压电阻R4A的另一端；场效应管Q1的源级、场效应管Q2的源级、场效应管Q3的源级和场效应管Q4的源级均连接采样电阻R3S的一端；采样电阻R1S的一端、采样电阻R2S的一端、采样电阻R3S的一端和采样电阻R4S的一端均连接差动集成放大器U6的5号引脚，采样电阻R1S的另一端、采样电阻R2S的另一端、采样电阻R3S的另一端和采样电阻R4S的另一端均连接模拟地；采样电阻R1S的另一端、采样电阻R2S的另一端、采样电阻R3S的另一端和采样电阻R4S的另一端均连接电流放大器U7的同相输入端，电流放大器U7的反相输入端连接电流放大器U7的输出端；电流放大器U7的2号引脚连接模拟地，电流放大器U7的5号引脚分别连接去耦电容E7的一端、磁珠LP4的一端，去耦电容E7的另一端连接模拟地，磁珠LP4的另一端连接VCC电源；场效应管Q1的漏级、场效应管Q2的漏级、场效应管Q3的漏级和场效应管Q4的漏级均与稳压器U8的3号引脚连接，稳压器U8的2号引脚连接模拟地，稳压器U8的1号引脚分别与电解电容ES1的一端、磁珠LP1的一端连接，电解电容ES1的另一端连接模拟地，磁珠LP1的另一端连接+12V电源。

作为优选的是，差动集成放大器U6为AD8276芯片，电流放大器U7为AD8603芯片，稳压器U8为KIA7809芯片，场效应管Q1的型号、场效应管Q2的型号、场效应管Q3的型号和场效应管Q4的型号均为SI2310；电解电容ES1的容值为330μF，磁珠LP1的阻值、磁珠LP2的阻值、磁珠LP3的阻值和磁珠LP4的阻值均为600Ω，去耦电容E5的容值、去耦电容E6的容值和去耦电容E7的容值均为10μF；分压电阻R1A的阻值、分压电阻R2A的阻值、分压电阻R3A的阻值和分压电阻R4A的阻值均为5Ω，采样电阻R1S的阻值、采样电阻R2S的阻值、采样电阻R3S的阻值和采样电阻R4S的阻值均为20Ω。

作为优选的是，温度监控模块为DS18B20温度传感器，温度监控模块反馈给微处理器单元温度信号，微处理器单元通过下式输出电压信号来进行反馈调节：

△u(k)＝u(k)-u(k-1)＝K_p[(E_k-E_k-1)+(T/T_i)E_k+T_d/T*(E_k-2E_k-1+E_k-2)]

其中，k为采样序号，E_k为第k次采样时刻的偏差，E_k-1为第k-1次采样时刻的偏差，E_k-2为第k-2次采样时刻的偏差，K_p为比例系数，K_i＝K_pT/T_i为积分系数，K_d＝K_pT_d/T为微分系数，T为采样周期。

有益效果：本发明所述的一种电流调谐半导体激光器的低温漂驱动电路中，上位机通过网络通信电路进行波形、偏置电压等参数设置以及连接状态的测试，减少了操作时间，方便使用；波形发生电路使用IDT72V273芯片搭配高精度数模转换AD5546芯片，能够产生激光器调频所需的波形，功耗低、精度高、电路结构简单；恒流源电路运用深度负反馈和PID算法来进行双重闭环控制，用以输出稳定的驱动电流、减少动态平衡的时间；恒流源电路采用低温漂、低噪声元器件，确保最终输出一个高稳定性、高精度的驱动电流。

附图说明

图1是电流调谐半导体激光器的低温漂驱动电路的结构图；

图2是上位机内部的功能模块结构图；

图3是网络通信电路的结构图；

图4是微处理器电路的结构图；

图5是FIFO芯片电路的结构图；

图6是高速数模转换器电路的结构图；

图7是滤波器电路的结构图；

图8是恒流源电路的结构图；

图9是PID控制程序的流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种电流调谐半导体激光器的低温漂驱动电路，如图1所示：包括上位机、网络通信电路、微处理器单元、波形发生电路、滤波器电路、恒流源电路和温度监控模块；上位机的数字量信号输入输出端与网络通信电路的数字量信号输入输出端连接，网络通信电路的数字量信号输入输出端与微处理器单元的数字量信号输入输出端连接；微处理器单元的电压信号输出端连接温度监控模块的电压信号输入端；温度监控模块的电信号输出端连接微处理器单元的电信号输入端；微处理器单元的数字量信号输出端与波形发生电路的数字量信号输入端连接，波形发生电路的模拟电压信号输出端与滤波器电路的电压信号输入端连接，滤波器电路的电压信号输出端与恒流源电路的电压信号输入端连接，恒流源电路的电流信号输出端连接激光器的驱动电流信号输入端。

电流调谐半导体激光器的低温漂驱动电路具体工作流程为：上位机通过MATLAB软件设置任意某种波形，波形数据由网络通信电路遵循TCP/IP协议传输至微处理器STM32的Flash中，在微处理器收到波形发生的指令时，把存储在Flash的数据写入到FIFO芯片中，芯片生成的数字量信号发送至16位高速数模转换器进行数模转换，之后经过滤波器电路进行去噪声处理，滤波处理后的电压信号进入恒流源电路中进行V/I转换，由电压信号转换为适配激光器的电流信号。通过温度检测模块检测恒流源温度并对驱动电路进行实时修正。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种电流调谐半导体激光器的低温漂驱动电路作进一步说明，本实施方式中，MATLAB上位机控制软件的功能是设置输出波形、对电流峰值进行校验等命令的发出。总体设计基于MATLAB开发，MATLAB对TCP/IP函数做了很好的封装，编程效率高，有易用的图形显示功能。上位机内部的功能模块结构图如图2所示：MATLAB通过函数echotcpip()开启TCP服务，首先输入电流信号的函数表达式，激光器作为精密光电器件易损坏，需在任意波形恒流源电路中增加保护措施，防止驱动电流过大损坏激光器，为此程序添加了一个保护机制，对设定信号峰值进行校验，若超出设定值则提示错误，并终止运行程序。waveform(k)是一个电流与数字量信号的转换关系式，把校验后的波形进行转换，然后把16位的波形数据，拆分为8位的数据单元，每128个数据单元为一个数据包，共发送64次，通过fwrite()写入传输端口的方式发送，发送“wave”指令下位机将数据写入到STM32F103ZET6的Flash中。偏置电压Voff设定好后，转换为0～65535的数字量，以高8位OffsetHigh和低8位OffsetLow的方式送入网络通信传输端口。波形传输完成后，上位机发出触发使能指令“trigen”，将Flash的数据写入到FIFO芯片中并触发工作。

网络通信电路中使用网络接口芯片DM9000C，网络通信电路的结构图如图3所示：在系统上电时处理器通过总线配置DM9000C内的网络控制寄存器、中断寄存器等，以完成DM9000C的初始化。随后，DM9000C进人数据收发等待状态，遵循TCP/IP网络协议，数据以数据包为单元传输，每个周期包含64个包，每个包有128个字节组成，完成与上位机通信。这里，我们移植了占用资源少，运行效率高的UIP协议。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种电流调谐半导体激光器的低温漂驱动电路作进一步说明，本实施方式中，微处理器芯片为STM32F103ZET6，该芯片成本低且片内资源丰富，包括512KB的Flash存储器、64KB的RAM存储器，包含USART、SPI、CAN等接口，144引脚有众多I/O口，灵活的FSMC可以和存储器或外设连接，主频最高可以达到72MHz，中断处理高达16个。微处理器单元的作用是存储上位机发来波形，根据指令把波形数据写入FIFO芯片的中并进行温度反馈调节；判断上位机发来的指令来完成相应的功能。微处理器单元电路的结构如图4所示：微处理器单元STM32F103ZET6芯片的85、86、114、115、58、59、60、63、64、65、66、67、68、77、78和79号引脚与网络通信电路数字量信号输出端连接。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种电流调谐半导体激光器的低温漂驱动电路作进一步说明，本实施方式中，波形发生电路的结构如图5和图6所示：波形发生电路包括FIFO芯片、高速数模转换器AD5546芯片、运算放大器U4A、运算放大器U4B、16.384MHz晶振、去耦电容E1、去耦电容E2、滤波电容C5和滤波电容C6；波形发生电路中的IDT72V273芯片的1、2、60、80、79、78、77、76、75、74、71、72、70、66、64、62和61号引脚分别与STM32F103ZET6芯片的104、103、117、142、141、97、96、140、139、137、134、135、133、128、125、123和122号引脚相连；IDT72V273芯片的29、28、27、26、25、24、22、21、19、18、17、16、15、13、12和11号引脚分别与STM32F103ZET6芯片的18、19、20、21、22、26、27、28、29、35、36、40、41、43、44和45号引脚相连；IDT72V273芯片的31、32、34、35、37、38、40、41、42、43、45、47、49、50、52和53号引脚分别与高速数模转换器AD5546芯片的8、7、6、5、4、3、2、1、27、26、25、24、23、22、21和20号引脚相连；高速数模转换器AD5546芯片的13号引脚连接运算放大器U4A的输出端，高速数模转换器AD5546芯片的12号引脚连接运算放大器U4A的反相输入端，高速数模转换器AD5546芯片的14号引脚连接运算放大器U4B的反相输入端，高速数模转换器AD5546芯片的9号引脚和10号引脚均连接滤波电容C6的一端，滤波电容C6的另一端连接运算放大器U4B的反相输入端；高速数模转换器AD5546芯片的11号引脚连接16.384M晶振的3号引脚；运算放大器U4A的输出端连接滤波电容C5的一端，滤波电容C5的另一端连接运算放大器U4A的反相输入端，运算放大器U4A的同相输入端连接模拟地；运算放大器U4A的4号引脚分别连接-12V电源、去耦电容E2的一端，去耦电容E2的另一端连接模拟地；运算放大器U4A的8号引脚分别连接+12V电源、去耦电容E1的一端，去耦电容E1的另一端连接模拟地；运算放大器U4B的输出端连接滤波电容C6的一端；运算放大器U4B的同相输入端连接模拟地；运算放大器U4B的输出端作为波形发生电路的模拟电压信号输出端。运算放大器U4A和运算放大器U4B均为OP2177芯片，去耦电容E1的容值、去耦电容E2的容值和滤波电容C6的容值均为10μF，滤波电容C5的容值为0.1μF。

FIFO芯片型号为IDT72V273，其存储容量为16K×18位。时钟工作频率166MHZ,它使用了高度可靠的工艺，内部优化结构，具有零延迟传输和低功耗的优点。波形发生电路中选用16位分辨率、电流输出、并行输入高速数模转换器AD5546芯片，其具有优异的交直流性能，最大限度提升动态精度并内部集成温度补偿带隙基准，具有低温漂、低功耗和低噪声的优点。高速数模转换器AD5546芯片内置四象限电阻，提供多种工作模式。波形发生电路中选用两象限倍增模式，通过搭配低噪声、低输入偏置电流运算放大器OP2177芯片最终输出电压值。使用上位机设置参数，通过网络通信电路将波形文件传输至STM32F103ZET6中，配置相位控制字、幅度控制字、增益控制字等，并将波形数据传入FIFO芯片中。然后由FIFO芯片传送高速数模转换器芯片AD5546进行数模转换。转换后的电压信号VOUT将进入滤波器电路进行去噪处理。波形发生电路中采用16.384MHz晶振为AD5546提供时钟频率，时钟的大小决定DAC的采样速率，进而控制输出波形的频率。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种电流调谐半导体激光器的低温漂驱动电路作进一步说明，本实施方式中，滤波器电路的结构如图7所示：滤波器电路包括运算放大器U5A、运算放大器U5B、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、滤波电容C7、滤波电容C8、滤波电容C9、滤波电容C10、去耦电容E3、去耦电容E4；电阻R7的一端作为滤波器电路的电压信号输入端，运算放大器U5B的输出端作为滤波器电路的电压信号输出端，电阻R7的另一端分别与电阻R8的一端、滤波电容C7的一端相连；滤波电容C7的另一端连接运算放大器U5A的输出端，电阻R8的另一端分别与运算放大器U5A的同相输入端、滤波电容C8的一端相连，滤波电容C8的另一端连接模拟地；运算放大器U5A的反相输入端与运算放大器U5A的输出端连接；运算放大器U5A的8号引脚分别连接+12V电源、去耦电容E3的一端，去耦电容E3的另一端连接模拟地；运算放大器U5A的4号引脚分别连接-12V电源、去耦电容E4的一端，去耦电容E4的另一端连接模拟地；运算放大器U5A的输出端与电阻R9的一端相连，电阻R9的另一端分别与电阻R10的一端、滤波电容C9的一端相连，滤波电容C9的另一端连接运算放大器U5B的输出端；电阻R10的另一端分别与运算放大器U5B的同相输入端、滤波电容C10的一端相连，滤波电容C10的另一端连接模拟地；运算放大器U5B的反相输入端连接运算放大器U5B的输出端。电阻R7的阻值、电阻R8的阻值、电阻R9的阻值和电阻R10的阻值均为4700Ω；滤波电容C7的容值和滤波电容C9的容值均为560μF；滤波电容C8的容值和滤波电容C10的容值均为240pF；去耦电容E3的容值和去耦电容E4的容值均为10μF。

滤波器电路为了消除数模转换后输出电压的噪声，为此设计了以运算放大器AD4610-2B为核心的四阶有源低通滤波器，去除了信号高次谐波的噪声，采用两级串联的形式，相互匹配之后，可以滤除前一级中残余的信号分量，具有良好的滤波效果，避免对设备造成干扰，完成了输出任意波形的功能，为了更好的输出效果，滤波器的截止频率需匹配上一级的波形信号，处理之后的电压信号将进入恒流源电路中进行V/I转换。

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种电流调谐半导体激光器的低温漂驱动电路作进一步说明，本实施方式中，恒流源电路的如图8所示：恒流源电路包括差动集成放大器U6、电流放大器为U7、稳压器U8、场效应管Q1、场效应管Q2、场效应管Q3、场效应管Q4、分压电阻R1A、分压电阻R2A、分压电阻R3A、分压电阻R4A、采样电阻R1S、采样电阻R2S、采样电阻R3S、采样电阻R4S、电解电容ES1、磁珠LP1、磁珠LP2、磁珠LP3、磁珠LP4、去耦电容E5、去耦电容E6和去耦电容E7；差动集成放大器U6的同相输入端作为恒流源电路的电压信号输入端，差动集成放大器U6的反相输入端连接模拟地，差动集成放大器U6的1号引脚连接电流放大器U7的输出端；差动集成放大器U6的7号引脚分别与去耦电容E5的一端、磁珠LP2的一端相连，去耦电容E5的另一端连接模拟地，磁珠LP2的另一端连接+12V电源；差动集成放大器U6的4号引脚分别与去耦电容E6的一端、磁珠LP3的一端相连，去耦电容E6的另一端连接模拟地，磁珠LP3的另一端连接-12v电源；差动集成放大器U6的输出端与分压电阻R1A的一端相连；场效应管Q1的栅极连接分压电阻R1A的一端，场效应管Q2的栅极连接分压电阻R2A的一端，场效应管Q3的栅极连接分压电阻R3A的一端，场效应管Q4的栅极连接分压电阻R4A的一端；分压电阻R1A的另一端分别连接分压电阻R2A的另一端、分压电阻R3A的另一端和分压电阻R4A的另一端，分压电阻R2A的另一端分别连接分压电阻R3A的另一端和分压电阻R4A的另一端，分压电阻R3A的另一端连接分压电阻R4A的另一端；场效应管Q1的源级、场效应管Q2的源级、场效应管Q3的源级和场效应管Q4的源级均连接采样电阻R3S的一端；采样电阻R1S的一端、采样电阻R2S的一端、采样电阻R3S的一端和采样电阻R4S的一端均连接差动集成放大器U6的5号引脚，采样电阻R1S的另一端、采样电阻R2S的另一端、采样电阻R3S的另一端和采样电阻R4S的另一端均连接模拟地；采样电阻R1S的另一端、采样电阻R2S的另一端、采样电阻R3S的另一端和采样电阻R4S的另一端均连接电流放大器U7的同相输入端，电流放大器U7的反相输入端连接电流放大器U7的输出端；电流放大器U7的2号引脚连接模拟地，电流放大器U7的5号引脚分别连接去耦电容E7的一端、磁珠LP4的一端，去耦电容E7的另一端连接模拟地，磁珠LP4的另一端连接VCC电源；场效应管Q1的漏级、场效应管Q2的漏级、场效应管Q3的漏级和场效应管Q4的漏级均与稳压器U8的3号引脚连接，稳压器U8的2号引脚连接模拟地，稳压器U8的1号引脚分别与电解电容ES1的一端、磁珠LP1的一端连接，电解电容ES1的另一端连接模拟地，磁珠LP1的另一端连接+12V电源。电解电容ES1的容值为330μF，磁珠LP1的阻值、磁珠LP2的阻值、磁珠LP3的阻值和磁珠LP4的阻值均为600Ω，去耦电容E5的容值、去耦电容E6的容值和去耦电容E7的容值均为10μF；分压电阻R1A的阻值、分压电阻R2A的阻值、分压电阻R3A的阻值和分压电阻R4A的阻值均为5Ω，采样电阻R1S的阻值、采样电阻R2S的阻值、采样电阻R3S的阻值和采样电阻R4S的阻值均为20Ω。

恒流源电路使用的是高精度、低功耗、低成本的差动集成放大器AD8276芯片，反馈缓冲器使用低温漂、低失调、低偏置电流放大器AD8603芯片，场效应管选择极低泄漏电流的SI2310型号，采样电阻由4个低温漂精密电阻并联实现。通过数模转换后提供的电压Us，经过差动集成放大器AD8276芯片和电流放大器AD8603芯片可以使采样电阻两端的电压恒等于输入电压Us，通过改变采样电阻值，即可改变驱动电流的大小。利用深度负反馈原理，提高恒流源系统稳定性。采用KIA7809型号稳压器将12V供电电压转换成9V，采用场效应管并联方式增大散热面积，减少温度对恒流源部分的影响。最终输出电流为：

I＝Us/(R1//R2//R3//R4) (1-1)

具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种电流调谐半导体激光器的低温漂驱动电路作进一步说明，本实施方式中，温度监控模块选用DS18B20温度传感器检测采样电阻温度变化，将数据传输至STM32F103ZET62芯片中与标准值比较，重新计算输出电压值，进而达到恒流的目的。单片机内部采用PID自动控制算法，减少恒流源动态平衡时间，实现实时反馈调节的效果。如图9所示，PID参数整定首先通过理论计算法，然后结合实际系统进行工程整定法确定最终PID参数。理论计算法前提需要知道被控对象的传递函数，利用MATLAB中System Identification工具箱对恒流源进行系统辨识，计算出体统传递函数,结合MATLAB内PID Tuner工具箱应用理论计算法对PID参数进行整定。使用增量式PID算法仅需考虑最近三次目标电流值与实际电流值的偏差值从而对驱动源产生影响，并且其输出结果是在当前控制信号的基础上进行调整，微处理器中不必存储大量的历史差值，具有占用较少的内存且显著提升计算速度的优点。温度监控模块反馈给微处理器单元电信号，微处理器单元通过下式输出电压信号来进行反馈调节：

△u(k)＝u(k)-u(k-1)＝K_p[(E_k-E_k-1)+(T/T_i)E_k+T_d/T*(E_k-2E_k-1+E_k-2)] (1-2)

其中，K为采样序号，E_K为第k次采样时刻的偏差，E_K-1为第k-1次采样时刻的偏差，E_k-2为第k-2次采样时刻的偏差，K_p为比例系数，K_i＝K_PT/T_i为积分系数，K_d＝K_pT_d/T为微分系数，T为采样周期。

Claims (8)

1.一种电流调谐半导体激光器的低温漂驱动电路，其特征在于，包括上位机、网络通信电路、微处理器单元、波形发生电路、滤波器电路、恒流源电路和温度监控模块；上位机设置任意某种波形，波形数据由网络通信电路传输至微处理器中，微处理器单元用于存储上位机发来波形，根据上位机指令把波形数据写入FIFO芯片中，芯片生成的数字量信号发送至16位高速数模转换器进行数模转换，之后经过滤波器电路进行去噪声处理，滤波处理后的电压信号进入恒流源电路中进行V/I转换，由电压信号转换为适配激光器的电流信号；上位机的数字量信号输入输出端与网络通信电路的数字量信号输入输出端连接，网络通信电路的数字量信号输入输出端与微处理器单元的数字量信号输入输出端连接；微处理器单元的电压信号输出端连接温度监控模块的电压信号输入端；温度监控模块的电信号输出端连接微处理器单元的电信号输入端；微处理器单元的数字量信号输出端与波形发生电路的数字量信号输入端连接，波形发生电路的模拟电压信号输出端与滤波器电路的电压信号输入端连接，滤波器电路的电压信号输出端与恒流源电路的电压信号输入端连接，恒流源电路的电流信号输出端连接激光器的驱动电流信号输入端；

恒流源电路运用深度负反馈和PID算法来进行双重闭环控制，温度监控模块中的温度传感器检测采样电阻温度变化对驱动电路进行实时修正，用以输出稳定的驱动电流；

恒流源电路包括差动集成放大器U6、电流放大器为U7、稳压器U8、场效应管Q1、场效应管Q2、场效应管Q3、场效应管Q4、分压电阻R1A、分压电阻R2A、分压电阻R3A、分压电阻R4A、采样电阻R1S、采样电阻R2S、采样电阻R3S、采样电阻R4S、电解电容ES1、磁珠LP1、磁珠LP2、磁珠LP3、磁珠LP4、去耦电容E5、去耦电容E6和去耦电容E7；差动集成放大器U6的同相输入端作为恒流源电路的电压信号输入端，差动集成放大器U6的反相输入端连接模拟地，差动集成放大器U6的1号引脚连接电流放大器U7的输出端；差动集成放大器U6的7号引脚分别与去耦电容E5的一端、磁珠LP2的一端相连，去耦电容E5的另一端连接模拟地，磁珠LP2的另一端连接+12V电源；差动集成放大器U6的4号引脚分别与去耦电容E6的一端、磁珠LP3的一端相连，去耦电容E6的另一端连接模拟地，磁珠LP3的另一端连接-12v电源；差动集成放大器U6的输出端与分压电阻R1A的一端相连；场效应管Q1的栅极连接分压电阻R1A的一端，场效应管Q2的栅极连接分压电阻R2A的一端，场效应管Q3的栅极连接分压电阻R3A的一端，场效应管Q4的栅极连接分压电阻R4A的一端；分压电阻R1A的另一端分别连接分压电阻R2A的另一端、分压电阻R3A的另一端和分压电阻R4A的另一端，分压电阻R2A的另一端分别连接分压电阻R3A的另一端和分压电阻R4A的另一端，分压电阻R3A的另一端连接分压电阻R4A的另一端；场效应管Q1的源级、场效应管Q2的源级、场效应管Q3的源级和场效应管Q4的源级均连接采样电阻R3S的一端；采样电阻R1S的一端、采样电阻R2S的一端、采样电阻R3S的一端和采样电阻R4S的一端均连接差动集成放大器U6的5号引脚，采样电阻R1S的另一端、采样电阻R2S的另一端、采样电阻R3S的另一端和采样电阻R4S的另一端均连接模拟地；采样电阻R1S的另一端、采样电阻R2S的另一端、采样电阻R3S的另一端和采样电阻R4S的另一端均连接电流放大器U7的同相输入端，电流放大器U7的反相输入端连接电流放大器U7的输出端；电流放大器U7的2号引脚连接模拟地，电流放大器U7的5号引脚分别连接去耦电容E7的一端、磁珠LP4的一端，去耦电容E7的另一端连接模拟地，磁珠LP4的另一端连接VCC电源；场效应管Q1的漏级、场效应管Q2的漏级、场效应管Q3的漏级和场效应管Q4的漏级均与稳压器U8的3号引脚连接，稳压器U8的2号引脚连接模拟地，稳压器U8的1号引脚分别与电解电容ES1的一端、磁珠LP1的一端连接，电解电容ES1的另一端连接模拟地，磁珠LP1的另一端连接+12V电源。

2.根据权利要求1所述的一种电流调谐半导体激光器的低温漂驱动电路，其特征在于，微处理器单元为STM32F103ZET6芯片，STM32F103ZET6芯片的85、86、114、115、58、59、60、63、64、65、66、67、68、77、78和79号引脚同时与网络通信电路的数字量信号输出端连接。

3.根据权利要求1所述的一种电流调谐半导体激光器的低温漂驱动电路，其特征在于，波形发生电路包括高速数模转换器AD5546芯片、IDT72V273芯片、运算放大器U4A、运算放大器U4B、16.384MHz晶振、去耦电容E1、去耦电容E2、滤波电容C5和滤波电容C6；IDT72V273芯片的1、2、60、80、79、78、77、76、75、74、71、72、70、66、64、62和61号引脚分别与STM32F103ZET6芯片的104、103、117、142、141、97、96、140、139、137、134、135、133、128、125、123和122号引脚相连；IDT72V273芯片的29、28、27、26、25、24、22、21、19、18、17、16、15、13、12和11号引脚分别与STM32F103ZET6芯片的18、19、20、21、22、26、27、28、29、35、36、40、41、43、44和45号引脚相连；IDT72V273芯片的31、32、34、35、37、38、40、41、42、43、45、47、49、50、52和53号引脚分别与高速数模转换器AD5546芯片的8、7、6、5、4、3、2、1、27、26、25、24、23、22、21和20号引脚相连；高速数模转换器AD5546芯片的13号引脚连接运算放大器U4A的输出端，高速数模转换器AD5546芯片的12号引脚连接运算放大器U4A的反相输入端，高速数模转换器AD5546芯片的14号引脚连接运算放大器U4B的反相输入端，高速数模转换器AD5546芯片的9号引脚和10号引脚均连接滤波电容C6的一端，滤波电容C6的另一端连接运算放大器U4B的反相输入端；高速数模转换器AD5546芯片的11号引脚连接16.384M晶振的3号引脚；运算放大器U4A的输出端连接滤波电容C5的一端，滤波电容C5的另一端连接运算放大器U4A的反相输入端，运算放大器U4A的同相输入端连接模拟地；运算放大器U4A的4号引脚分别连接-12V电源、去耦电容E2的一端，去耦电容E2的另一端连接模拟地；运算放大器U4A的8号引脚分别连接+12V电源、去耦电容E1的一端，去耦电容E1的另一端连接模拟地；运算放大器U4B的输出端连接滤波电容C6的一端；运算放大器U4B的同相输入端连接模拟地；运算放大器U4B的输出端作为波形发生电路的模拟电压信号输出端。

4.根据权利要求3所述的一种电流调谐半导体激光器的低温漂驱动电路，其特征在于，运算放大器U4A和运算放大器U4B均为OP2177芯片，去耦电容E1的容值、去耦电容E2的容值和滤波电容C6的容值均为10μF，滤波电容C5的容值为0.1μF。

5.根据权利要求1所述的一种电流调谐半导体激光器的低温漂驱动电路，其特征在于，滤波器电路包括运算放大器U5A、运算放大器U5B、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、滤波电容C7、滤波电容C8、滤波电容C9、滤波电容C10、去耦电容E3、去耦电容E4；电阻R7的一端作为滤波器电路的电压信号输入端，运算放大器U5B的输出端作为滤波器电路的电压信号输出端，电阻R7的另一端分别与电阻R8的一端、滤波电容C7的一端相连；滤波电容C7的另一端连接运算放大器U5A的输出端，电阻R8的另一端分别与运算放大器U5A的同相输入端、滤波电容C8的一端相连，滤波电容C8的另一端连接模拟地；运算放大器U5A的反相输入端与运算放大器U5A的输出端连接；运算放大器U5A的8号引脚分别连接+12V电源、去耦电容E3的一端，去耦电容E3的另一端连接模拟地；运算放大器U5A的4号引脚分别连接-12V电源、去耦电容E4的一端，去耦电容E4的另一端连接模拟地；运算放大器U5A的输出端与电阻R9的一端相连，电阻R9的另一端分别与电阻R10的一端、滤波电容C9的一端相连，滤波电容C9的另一端连接运算放大器U5B的输出端；电阻R10的另一端分别与运算放大器U5B的同相输入端、滤波电容C10的一端相连，滤波电容C10的另一端连接模拟地；运算放大器U5B的反相输入端连接运算放大器U5B的输出端。

6.根据权利要求5所述的一种电流调谐半导体激光器的低温漂驱动电路，其特征在于，运算放大器U5A和运算放大器U5B均为AD4610-2B芯片；电阻R7的阻值、电阻R8的阻值、电阻R9的阻值和电阻R10的阻值均为4700Ω；滤波电容C7的容值和滤波电容C9的容值均为560μF；滤波电容C8的容值和滤波电容C10的容值均为240pF；去耦电容E3的容值和去耦电容E4的容值均为10μF。

7.根据权利要求1所述的一种电流调谐半导体激光器的低温漂驱动电路，其特征在于，差动集成放大器U6为AD8276芯片，电流放大器U7为AD8603芯片，稳压器U8为KIA7809芯片，场效应管Q1的型号、场效应管Q2的型号、场效应管Q3的型号和场效应管Q4的型号均为SI2310；电解电容ES1的容值为330μF，磁珠LP1的阻值、磁珠LP2的阻值、磁珠LP3的阻值和磁珠LP4的阻值均为600Ω，去耦电容E5的容值、去耦电容E6的容值和去耦电容E7的容值均为10μF；分压电阻R1A的阻值、分压电阻R2A的阻值、分压电阻R3A的阻值和分压电阻R4A的阻值均为5Ω，采样电阻R1S的阻值、采样电阻R2S的阻值、采样电阻R3S的阻值和采样电阻R4S的阻值均为20Ω。

8.根据权利要求1所述的一种电流调谐半导体激光器的低温漂驱动电路，其特征在于，温度监控模块为DS18B20温度传感器，温度监控模块反馈给微处理器单元电信号，微处理器单元通过下式输出电压信号来进行反馈调节：

Δu(k)＝u(k)-u(k-1)＝K_p[(E_k-E_k-1)+(T/T_i)E_k+T_d/T*(E_k-2E_k-1+E_k-2)]

其中，k为采样序号，E_k为第k次采样时刻的偏差，E_k-1为第k-1次采样时刻的偏差，E_k-2为第k-2次采样时刻的偏差，K_p为比例系数，K_i＝K_pT/T_i为积分系数，K_d＝K_pT_d/T为微分系数，T为采样周期。

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