摘 要： 為了保持半導(dǎo)體激光器工作的穩(wěn)定性，設(shè)計了一種基于MAX1978的高精度溫度控制系統(tǒng)。采用熱電制冷器（TEC）作為溫度補償元件，通過外部比例積分微分（PID）補償網(wǎng)絡(luò)控制驅(qū)動TEC模塊。該系統(tǒng)具有功耗低、效率高、集成度高等優(yōu)點，在15℃~40℃控溫范圍內(nèi)可連續(xù)調(diào)節(jié)，控溫精度可達0.002℃。
關(guān)鍵詞： 高精度；PID；MAX1978；TEC
0 引言
半導(dǎo)體激光器具有成本低、效率高、體積小等優(yōu)點，已經(jīng)成為物理研究中不可缺少的部分[1]。半導(dǎo)體激光器對溫度極其敏感，其自身工作時產(chǎn)生的熱量以及外界環(huán)境溫度的變化都會使激光二極管的閾值、輸出波長和輸出功率發(fā)生變化，波長變化系數(shù)在0.1 nm/℃左右[2]。在原子光學的研究領(lǐng)域，利用激光對原子進行冷卻、俘獲與操控已經(jīng)是非常成熟的技術(shù)，半導(dǎo)體激光器以其價格低廉、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高等優(yōu)點而得到廣泛應(yīng)用。包括原子頻標、原子慣性系統(tǒng)等在內(nèi)的原子光學領(lǐng)域，對激光器的功率穩(wěn)定性、線寬、頻率穩(wěn)定性都要求很高[3]。目前普遍采用的溫控系統(tǒng)成本高、系統(tǒng)復(fù)雜、體積大，采用集成芯片MAX1978設(shè)計的溫控系統(tǒng)能夠很好地解決這些問題，將由于溫度變化而導(dǎo)致的激光器工作不穩(wěn)定因素完全消除。
1 溫度控制原理
TEC是利用珀爾帖效應(yīng)制作而成的一種半導(dǎo)體制冷器。當電流通過兩種半導(dǎo)體材料組成的PN結(jié)時，由于兩種半導(dǎo)體材料中的電子和空穴在跨越PN結(jié)移動過程中的吸熱和放熱效應(yīng)（珀爾帖效應(yīng)），其一端會吸熱而另一端放熱，就會使PN結(jié)表現(xiàn)為制冷和加熱的效果，制冷還是加熱，以及制冷、加熱的速率，是由通過PN結(jié)的電流方向和大小決定的[4-5]。因此，可以通過控制電流的方向和大小控制制冷或加熱以及加熱制冷速率，非常適合要求控制精度高、響應(yīng)快速的恒溫控制系統(tǒng)。利用TEC實現(xiàn)溫度控制的方法如圖1所示。
圖1中，目標溫度的選擇是通過設(shè)定電壓值來實現(xiàn)的，用負溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）來測量目標物體的溫度值，目標物體的實際溫度變化時NTC的阻值將發(fā)生變化，宏觀表現(xiàn)為熱敏電阻兩端電壓值的變化，并與設(shè)定電壓進行比較。在比較電路部分應(yīng)用一個精密運算構(gòu)成差分放大器進行電壓值的比較，產(chǎn)生一個誤差電壓值。誤差電壓經(jīng)過一個高增益運算放大器構(gòu)成的PID控制器，控制脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制器驅(qū)動場效應(yīng)管，對流過TEC的電流大小和方向進行控制，使目標溫度與設(shè)定溫度達到一致。
2 溫控系統(tǒng)電路設(shè)計
2.1 MAX1978的特點
MAX1978是用于TEC模塊的最小、最精確、最安全的溫度控制微芯片。MAX1978具有很高的集成度，將控制環(huán)路和功率FET管集成在同一芯片上，盡可能地減少外部電路，使整個溫控系統(tǒng)更加小型化。芯片具有500 kHz和1 MHz的MOSFET開關(guān)頻率可供選擇，獨特的紋波消除方法降低了電路噪聲，也優(yōu)化了芯片的尺寸和工作效率；同時，對內(nèi)部MOSFET的開關(guān)速度進行了優(yōu)化，減少了噪聲和電磁干擾（EMI）。
MAX1978直接輸出電流而不是電壓，能夠直接消除浪涌電流，獨立的加熱和制冷電流電壓限制為TEC提供最安全的保護，整個溫控系統(tǒng)更加安全可靠。采用單電源供電，能夠為TEC提供雙極性的±3 A輸出電流，實現(xiàn)溫度的無“死區(qū)”控制，避免在低電流工作時的非線性問題。MAX1978內(nèi)部集成了一個超低漂移的斬波型運算放大器和一個積分放大器，構(gòu)成比例積分（PI）或者比例積分微分（PID）控制器，能夠維持±0.001℃的溫度穩(wěn)定性[6]。MAX1978溫度控制原理框圖如圖2所示。
2.2 電路圖設(shè)計
圖3為所設(shè)計的基于MAX1978的溫度控制電路。整個系統(tǒng)采用+5 V單電源供電，功耗低。芯片內(nèi)部集成了一個+1.5 V的高精度參考電壓源Vref，能夠為溫度設(shè)定和TEC限流限壓提供電壓參考。MAX1978的溫度設(shè)定部分是通過RT與R17、R18、R19、R20構(gòu)成的電橋?qū)崿F(xiàn)的，當電橋達到平衡時，即管腳18、19上的電壓值達到一致，此時激光器溫度值為溫度設(shè)定值。電位器R19的選擇與系統(tǒng)要求的溫度調(diào)節(jié)范圍和精度有關(guān)，R20用來限定溫度調(diào)節(jié)的下限，避免超出調(diào)節(jié)范圍。電橋的兩臂連接在同一個電壓參考源Vref上，Vref的噪聲在電橋兩臂相互抵消[7]，消除了參考源中的噪聲對溫度穩(wěn)定性的影響。電路中的溫度電壓值設(shè)定按式（1）計算。
熱敏電阻RT在25℃時的電阻值為10 kΩ，為了滿足溫度調(diào)節(jié)范圍內(nèi)的電壓值設(shè)定，取R18=10 kΩ，R20=5.23 kΩ，R19用總阻值為30 kΩ的多圈精密電位器。電橋中的電阻均采用精度為0.1%的高精度、高熱穩(wěn)定性的精密電阻。在跳線端P1處，可以通過單片機或者數(shù)模轉(zhuǎn)換（DAC）來設(shè)定溫度值。
MAX1978具有高低溫報警指示功能，當管腳18（FB-）和19（FB+）上電壓值之差大于20 mV時，管腳12（OT）或者13（UT）就會拉低。對于10 kΩ@25℃的熱敏電阻，20 mV大約對應(yīng)1℃的溫差。在管腳12和13上外接紅綠LED燈，可以通過LED燈的亮滅來直觀判斷溫度是否達到設(shè)定值以及系統(tǒng)是否正常。
2.3 PID網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)定
PID補償網(wǎng)絡(luò)是TEC溫度控制中最關(guān)鍵的部分，直接影響溫度控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度[8]。為了較好地解決系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度和調(diào)節(jié)精度之間的矛盾，必須對PID參數(shù)進行不斷的優(yōu)化[9]。PID調(diào)節(jié)器的方程如式（2）所示。
其中，KP、KI和KD分別為比例、積分、微分增益系數(shù)。由于PID控制器中有3個可供選擇的參數(shù)KP、KI和KD，因此，在取不同增益系數(shù)的情況下可以得到不同的組合控制器。比例控制器和積分控制器都只有在出現(xiàn)偏差時才進行調(diào)節(jié)，而微分控制器則是針對偏差信號的變化速率進行調(diào)節(jié)。一般情況下，實現(xiàn)微分作用并非直接對檢測信號進行微分操作，這樣會引入很大的沖擊，引起振蕩，通常使用檢測信號的速率傳感器來避免對信號的直接微分[10]。在溫控系統(tǒng)中為了避免系統(tǒng)的不穩(wěn)定，只使用P和I環(huán)節(jié)組成PI控制器。
MAX1978內(nèi)部集成了一個精密積分運放，通過外加電容電阻即可構(gòu)成PI控制器。PI控制器原理圖如圖4所示。
控制方程為：
3 實驗結(jié)果
在恒溫箱中模擬25℃的室溫環(huán)境溫度，通過電位器R19調(diào)節(jié)FB+端的電壓值，設(shè)定電壓值為0.799 V，對應(yīng)溫度值為22℃。當系統(tǒng)達到穩(wěn)定后，測試熱敏電阻兩端電壓值即管腳18（FB-）上的電壓值變化，實驗結(jié)果如圖5所示。
從圖5可以看出，F(xiàn)B-上電壓值達到穩(wěn)定后在0.799 00 V~0.799 05 V之間，電壓變化范圍在±25 ?滋V以內(nèi)，經(jīng)過計算，對應(yīng)溫度控制精度在±0.002℃以內(nèi)。測試結(jié)果表明，F(xiàn)B-上電壓長期漂移量不超過50 V，對應(yīng)的長期溫度漂移量小于0.004℃。
4 結(jié)論
利用MAX1978設(shè)計的半導(dǎo)體激光器溫度控制系統(tǒng)具有集成度高、控溫精度高、成本低廉等優(yōu)點。溫控系統(tǒng)能夠長時間穩(wěn)定工作，完全符合原子物理研究領(lǐng)域的要求，能夠使溫度對激光器輸出波長、輸出功率和線寬的影響忽略不計。
參考文獻
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