??? 摘 要： 功率穩定可調" title="可調">可調的激光二極管（LD）在精密光電檢測和光纖通信系統中應用廣泛。介紹了一種單片機控制激光二極管輸出功率的方法，針對SANYO 30mW紅光LD設計了驅動電路" title="驅動電路">驅動電路，其驅動電流在0～100mA之間可調，最小可調量<0.01mA。單片機片內對監測電流偏差進行了PID調節運算，使激光二極管輸出功率穩定。
??? 關鍵詞： 功率穩定可調激光二極管? 單片機? 驅動電路? PID調節
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??? 在精密光電檢測領域中，光源的微小波動會引起被測量的較大偏移，從而產生較大的測量誤差。如在半導體薄膜特性檢測中，常常需要檢測薄膜反射比以求解出其它光電學參量。由于薄膜增長的緩慢（0.1nm級/秒），反射比變化非常小，在這種情況下，對于光源穩定性的要求非常高，達到0.1%。穩定光源在光纖測量中像電子電路測試時用振蕩器作為信號源一樣，要求發出高穩定、光功率" title="光功率">光功率可調的光信號[1]。穩定光源是急待開發的光纖系統測試儀器中的一種重要的基礎設備。
??? 國內一些學者對穩定激光光源作了一些研究。有的設計方法使激光器注入電流穩定[2～3]，并配合使用溫控電路。這種方法雖然對穩定性有一定提高，但對其它影響因素缺乏考慮，不是一種閉環的控制系統。有的對光功率的調節只使用模擬的積分調節[1]，由于積分控制對穩態誤差的消除作用是靠對誤差的積累產生的，故反映不靈敏，且會使系統穩定裕量下降，超調增大，一般不單獨使用。這兩種方法的共同點是模擬調節。本文設計一種對輸出光功率進行閉環數字PID調節的激光二極管（LD）驅動電路。該電路使用高精度14位A/D" title="A/D">A/D、D/A" title="D/A">D/A轉換器，理論上對光功率的0.01%變化均可調節，且驅動電流最小調節量<0.01mA，同時可精確設置初始驅動電流（光功率）。
1 驅動電路設計
1.1 激光二極管封裝及參數
??? 常見激光二極管封裝有兩種形式：共陽極與共陰極型（圖1（a）所示）。LD和監測激光器背向輸出光功率的PIN光電二極管封裝在一起。這里，LD采用SANYO 655nm紅光激光二極管，封裝形式為共陽極（LD的正極與PD（光電二極管）的負極連接在一起）。LD最大輸出光功率為30mW，閾值電流為40mA（25°C），工作電流最大為110mA。PD的監測電流Im與激光器的輸出功率P0在溫度不變的情況下成線性關系（圖1（b）所示），這為后面控制電路的設計提供了依據。
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1.2 電路原理
??? 光電二極管的監測電流經差分放大后變成一個電壓量，經高精度A/D轉換器采樣量化后送入單片機，與單片機內監測電壓參考值（在設定功率條件下，監測電流經差分放大后變成的電壓量的數字表示）之間作差，產生電壓偏差信號；再對偏差信號進行PID運算，運算結果經D/A轉換及電壓－電流（V-I）變換后，成為LD的驅動電流。PID調節是為了使激光二極管輸出功率穩定。這種單片機閉環控制系統框圖如圖2所示。
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1.3 電路模塊選型及計算
1.3.1 差分放大模塊
??? 由圖1（b）可見，監測電流很小，尤其當激光器輸出功率<10mW時。如果把監測電流通過一電阻接入放大器，則由于放大器的輸入阻抗太小以及電阻的溫漂問題，使放大器的輸入電壓受溫度影響非常大，從而導致A/D轉換器的輸入不準確。因此在設計中應該消除或減小環境溫度對A/D轉換器輸入的影響。設計中使監測電流與參考電流通過一個由四個阻值及溫度系數均相等的高精度電阻組成的電橋電路，這樣溫度的影響會在相減中減小。放大器采用TI公司的高輸入阻抗精密差分放大器INA114，其原理圖如圖3所示。
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??? 其中，參考電流Iref可由另一INA114和OPA602得到。放大器的輸出電壓可由下式計算：
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1.3.2 模/數及數/模轉換器
?? ?A/D轉換器選用美信公司的MAX1062，D/A轉換器選用模擬器件公司的AD5551，它們都是14位的串行轉換器，適合于對速度要求不是很高的場合。轉換器的片選信號、時鐘線及數據線直接同單片機的用戶口P1相連。轉換器的位數決定了檢測控制電路的分辨率。14位轉換器可把4.096V量程的電壓量化成214份，所以調整差分放大器的增益使其輸出電壓最大值達到A/D轉換器的滿量程電壓，則理論上對于光功率變化1/214均可檢測到，即該驅動電路可以檢測到<0.01%的激光器光功率變化，進而可在單片機中進行調節。同樣設D/A轉換器的輸出電壓經V-I變化后的滿量程電流為150mA，則驅動電流的最小可調節量為150/214=0.01mA。
1.3.3? 電壓/電流轉換
??? 由于上述D/A轉換器的輸出無緩沖，故采用運放與場效應管組成的共源放大電路。其中運放對輸出有緩沖作用。
??? 圖4電路中V1為D/A的輸出電壓，場效應管的漏極－源極的電流（即LD的驅動電流）為：
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??? 由上式可見，驅動電流由V1及小電阻Rs決定。在實際中取Rs為30Ω的高精密電阻，則由上式可得滿量程電流為150mA。由于LD正常工作時，其壓降為2V左右，所以這樣設計驅動電流最大值不會超過100mA，對LD可以起到保護作用。故驅動電流在0～100mA之間可調。由上式可見，最大驅動電流可以通過調節Rs的大小來得到，設計靈活性較大。
??? 此外，電路中單片機與計算機間通過RS232串行口進行通信，采用的RS232收發器為MAX3232。計算機通過串口可對LD的初始驅動電流、參考監測電壓進行設置，還可以對PID數字調節器的比例、積分、微分系數進行設定，這樣可以方便快捷地整定出調節器的參數。存儲器中存放一些設定參數以及暫存PID運算的中間結果。
2 數字PID調節
??? PID調節器控制結構簡單，參數容易調整，不必求出被控對象的數學模型便可調節。其輸入e(t)與輸出u(t)間的關系為[4]：
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??? 為了實現編程，將上式寫成離散化，可寫出第k次采樣式PID的輸出表達式為[5]：
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??? 式中，E(k)為第k次采樣式的偏差值。設監測電壓設定值為V0set，差分放大器第k次輸出的采樣值為V0（k），則：
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??? 為程序設計方便，將式（4）作進一步改進，設比例輸出為：Up(k)=KPE(k)，積分項輸出為：UI(k)=KIE(k)+PI(k-1)，微分項輸出為：UD(k)=KD[E(k)-E(k-1)]，那么式（4）可寫成：
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??? 式（6）即為離散化的位置型PID編程公式，一般采用浮點運算。當Kp、KI、KD分別給出且存放在指定的內部RAM中時，則完成式（6）位置型浮點運算PID運算程序的流程圖如圖5所示（初始化程序設置初值使E(k-1)＝UI(k-1)＝0）。
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??? 在PID三種作用中，比例作用可對偏差作出及時響應；積分作用主要用來消除靜差，改善系統的靜態特性；微分作用主要用來減少超調，克服振蕩，使系統趨向穩定，加快系統的動作速度，減少超調時間，改善系統的動態特性。若能將三種作用的強度配合適當，可以使控制器快速、平穩、準確，從而獲得滿意的控制效果。PID調節器的參數整定可以使用擴充臨界比例度法[5]。
??? 該設計將經典PID控制理論融入激光二極管功率控制中，采用數字調節方式，初始驅動電流（LD輸出功率）可設置，最小電流可調量小，調節精度高，最大驅動電流可變。將該驅動電路與溫度控制電路配合使用（LD的閾值電流和輸出功率受工作溫度的影響較大），可使激光二極管輸出功率高度穩定且可調。
參考文獻
1 劉 偉，萬秋玉，遲立華. 穩定化激光二極管電源.哈爾濱理工大學學報，2001;6(6):98
2 孫番典.一種高精度可調節半導體激光管控制電路.大學物理實驗，1996;9(2):18
3 賈宏志，李育林，張倍琨.半導體激光器驅動電源的設計.應用激光，1999(4)：181
4 楊位欽，謝錫祺.自動控制理論基礎. 北京：北京理工大學出版社,1991:230
5 潘新民，王燕芳.單片微型計算機實用系統設計.北京：人民郵電出版社，1992：302～319