一種具有恒定波長和功率的激光驅(qū)動器電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有恒定波長和功率的激光驅(qū)動器電路。所述激光驅(qū)動器電路包括激光器二極管、波長閉環(huán)控制電路和功率閉環(huán)控制電路，所述激光器二極管為所述激光驅(qū)動器電路的核心器件，所述波長閉環(huán)控制電路和功率閉環(huán)控制電路，分別與所述激光器二極管電連接，對所述激光器二極管的發(fā)光波長和輸出功率進(jìn)行采樣和調(diào)控，以達(dá)到恒定控制所述激光器二極管的發(fā)光波長和輸出功率的目的。通過使用本發(fā)明所述激光驅(qū)動電路，既能夠保證激光二極管發(fā)出的光具有恒定的波長和功率，又能夠有效克服現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計復(fù)雜、成本高和不能有效控制光功率等不足。
【專利說明】
一種具有恒定波長和功率的激光驅(qū)動器電路
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于自動控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有恒定波長和功率的激光驅(qū)動器電路。
【背景技術(shù)】
[0002]在光檢測技術(shù)領(lǐng)域，經(jīng)常會使用激光二極管作為光源，以激發(fā)檢測標(biāo)的物產(chǎn)生熒光。為了保證檢測的準(zhǔn)確性，需要激光二極管發(fā)出的光的波長和功率保持恒定。但是，由于激光二極管的物理特性決定，激光二極管發(fā)出光的波長受到其工作溫度的影響，因此，隨著激光二極管工作時間的增加，導(dǎo)致其工作溫度升高，會直接影響到激光二極管發(fā)出光的波長。隨著溫度的升高激光二極管發(fā)出光的波長會有一定范圍的波動，這種波動對于需要被激發(fā)的熒光的激發(fā)效率有著比較大的影響，造成系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的不穩(wěn)定。這就需要對激光二極管發(fā)出光的波長進(jìn)行控制，而要控制激光二極管發(fā)出光的波長就必須控制激光二極管發(fā)光時的工作溫度。
[0003]同時，為保證光檢測的穩(wěn)定性，需要作為光源的激光二極管發(fā)出的光具有恒定的功率。但通常情況下激光二極管的發(fā)光功率也會受到溫度等其他因素的影響。因此，也需要對激光二極管的發(fā)光功率進(jìn)行調(diào)控，以保證其發(fā)光功率的穩(wěn)定。
[0004]目前，為了得到一個穩(wěn)定的溫度設(shè)定值，系統(tǒng)通常使用一個數(shù)字控制器獲取當(dāng)前需測定的溫度值，然后通過控制器計算測定溫度與設(shè)置溫度之間的偏差并輸出一個控制信號，用其控制加熱或制冷器件調(diào)節(jié)激光二極管的環(huán)境溫度，達(dá)到恒溫控制的目的。同時，通常的激光二極管驅(qū)動電路使用恒流方式驅(qū)動，屬于半開環(huán)控制，這樣僅對電功率實現(xiàn)了閉環(huán)控制，如使用LM317等恒流集成控制電路。
[0005]現(xiàn)有方式進(jìn)行溫度采集控制的恒溫電路雖然有控制精度高的特點，但是需要在系統(tǒng)內(nèi)增加控制器用來對溫度進(jìn)行閉環(huán)控制，增加了設(shè)計及生產(chǎn)成本、同時增加了產(chǎn)品的故障率。
[0006]現(xiàn)有的激光二極管恒流驅(qū)動電路雖然能夠達(dá)到對激光二極管電功率的穩(wěn)定控制，但是受限于外界環(huán)境變化造成的對光功率的影響，無法得到一個穩(wěn)定的光功率輸出。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了解決目前在激光二極管的發(fā)光波長和功率控制技術(shù)方面的問題，本發(fā)明提供一種具有恒定波長和功率的激光驅(qū)動器電路。通過本發(fā)明所述激光驅(qū)動電路，既能夠保證激光二極管發(fā)出的光具有恒定的波長和功率，又能夠有效克服現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計復(fù)雜、成本高和不能有效控制光功率等不足。
[0008]為實現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一種具有恒定波長和功率的激光驅(qū)動器電路，包括激光器二極管、波長閉環(huán)控制電路和功率閉環(huán)控制電路。所述激光器二極管為所述激光驅(qū)動器電路的核心器件，所述波長閉環(huán)控制電路和功率閉環(huán)控制電路，分別與所述激光器二極管電連接，對所述激光器二極管的發(fā)光波長和輸出功率進(jìn)行采樣和調(diào)控，以達(dá)到恒定控制所述激光器二極管的發(fā)光波長和輸出功率的目的。
[0009]所述波長閉環(huán)控制電路包括RTD( Resistance Temperature Detector，電阻式溫度檢測器)溫度采集傳感器、橋式測溫電路、低通濾波器、溫度比較電路、TEC驅(qū)動器和半導(dǎo)體制冷片，所述各器件順次電連接，所述RTD和半導(dǎo)體制冷片與所述激光器二極管連接，從而構(gòu)成一個采樣控制的閉環(huán)。
[0010]所述橋式測溫電路包括電阻1?1、1?2、1?、1?4、1?5、1?6，電容(:1丄2，運算放大器1]1，電源VI，各器件連接關(guān)系如圖所示。其中，R3為RTD電阻，Vl為可調(diào)式恒壓源。
[0011]所述橋式測溫電路的工作原理是:RTD電阻R3在0°C條件下阻值為100歐姆，在-55至+155溫度范圍內(nèi)，其阻值隨溫度線性變化。Vl作為一個可調(diào)式恒壓源，在Vl點得到一個固定的電壓。此點電壓經(jīng)過Rl、R3以及R2、R4形成兩個對地回路。當(dāng)溫度變化的時候R3的阻值發(fā)生變化，從RTD的參數(shù)中可得出，在-55 °C條件下阻值為78.32歐姆，這就意味著在R4選擇使用78.7歐姆的時候，在-55°C的情況下運算放大器Ul的反向輸入端以及非反相輸入端的電平基本相同，此時Ul的輸出應(yīng)為0V，隨著溫度的升高R3的阻值變大運算放大器的非反相輸入端的電壓就會升高，此時Ul的輸出電壓也會隨之升高。Voltagel點為運算放大器Ul的輸出，這點的電壓是隨著溫度的升高而升高，呈線性關(guān)系。該調(diào)理電路的輸出電壓與RTD阻值關(guān)系如附圖4所示，為滿足后端電路的輸入要求，將此電路的輸出范圍調(diào)整在0-5V的區(qū)間內(nèi)。
[0012]所述波長閉環(huán)控制電路的工作原理是利用激光二極管發(fā)光波長受其工作環(huán)境溫度影響的特點，通過調(diào)控激光二極管工作環(huán)境的溫度，實現(xiàn)控制其發(fā)光波長的目的。
[0013]所述波長閉環(huán)控制電路的工作過程是，首先，通過RTD采集激光二極管表面溫度，其次，通過溫度傳感器調(diào)理電路將溫度信息轉(zhuǎn)換成電壓信號，第三，經(jīng)過比較器電路生成一個過溫信號和一個欠溫信號，第四，將這一對信號作為后端H橋驅(qū)動器的輸入信號，驅(qū)動半導(dǎo)體制冷片對激光二極管進(jìn)行加熱或制冷，達(dá)到使激光二極管工作環(huán)境恒溫的目的。
[0014]所述溫度比較電路包括恒流電源U5、比較器U7A和U7B、電阻R35和R37。各器件連接關(guān)系如圖所示。
[0015]所述溫度比較電路的工作原理是:將溫度調(diào)理電路輸出的反映溫度采集值的電壓信號輸送到比較器U7的兩個輸入端，其中一個作為比較器的反向輸入第6引腳，另一路作為比較器的同相輸入第3引腳，這兩路比較器作為溫度值設(shè)定的高溫限制以及低溫限制(U7A是高溫限制，U7B是低溫限制)；恒流源U5輸出的電流流經(jīng)R35和R37的時候會在這兩個電阻上產(chǎn)生壓降，在R35兩端產(chǎn)生的兩個電壓就是比較器U7輸入的高溫及低溫門限，輸入U7第2引腳的電壓為高溫限制電壓，輸入U7第5引腳的電壓為低溫限制電壓；當(dāng)溫度電壓高于第2引腳電壓時，引腳7輸出低電平同時引腳I輸出高電平，當(dāng)溫度電壓低于第5引腳電壓時，弓I腳7輸出高電平同時引腳I輸出低電平。引腳I輸出的電壓信號即為過溫信號，引腳7輸出的電壓信號即為欠溫信號。
[0016]所述TEC驅(qū)動器采用H橋驅(qū)動器U23，其第I引腳連接所述溫度比較器輸出的過溫信號引腳，其第2引腳連接所述溫度比較器輸出的欠溫信號引腳，其第5、6引腳連接所述半導(dǎo)體制冷片的正極，第7、8引腳連接所述半導(dǎo)體制冷片的負(fù)極。
[0017]所述TEC驅(qū)動器的工作原理是，溫度比較器的輸出電平作為半導(dǎo)體制冷片驅(qū)動器的控制輸入，U23的1、2引腳分別連接到比較器的高溫和低溫限制輸出信號上，當(dāng)引腳2為低電平同時引腳I為高電平的時候，U23的5、6引腳給制冷片正向通電，此時制冷片與激光二極管的接觸面開始制冷，使激光二極管降溫。同理，當(dāng)引腳2為高電平同時引腳I為低電平的時候，U23的7、8引腳給制冷片反向通電，此時制冷片與激光二極管的接觸面開始加熱，使激光二極管升溫。
[0018]所述功率控制閉環(huán)包括負(fù)反饋放大器、1-V轉(zhuǎn)換電路和驅(qū)動控制邏輯電路，各器件連接關(guān)系如圖所示。
[0019]通常的激光二極管驅(qū)動電路是通過使用檢測反饋電阻電流的方式得到的單閉環(huán)控制電路，這樣可以使激光二極管獲得一個比較穩(wěn)定的工作電流，以達(dá)到穩(wěn)定激光二極管功率的目的。但是此種方式僅僅能夠穩(wěn)定激光二極管的電功率，并不能達(dá)到使其光功率穩(wěn)定的目的。
[0020]本發(fā)明所述的功率閉環(huán)控制電路包括1-V轉(zhuǎn)換電路、負(fù)反饋運算放大器、驅(qū)動控制邏輯電路和采樣電阻，各器件的連接關(guān)系如圖所示。所述的功率閉環(huán)控制電路的設(shè)計重點就在于增加了光功率控制的閉環(huán)，如圖所示，使用激光二極管內(nèi)部的光電池信號的輸出，作為激光二極管光功率的反饋信息，通過1-V轉(zhuǎn)換電路將光電池信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，同時配合采樣電阻反饋的激光二極管電流，通過雙閉環(huán)去控制激光器的驅(qū)動電流，以此達(dá)到穩(wěn)定激光二極管的光功率的目的。
[0021]本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果為:
1)使用很簡單的電路實現(xiàn)了恒溫控制以得到恒定激光二極管發(fā)射波長，通過光功率采樣閉環(huán)控制激光二極管，實現(xiàn)了恒定激光二極管的發(fā)光功率；
2)不需要模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣，系統(tǒng)帶寬不受限于采樣及控制帶寬；
3)系統(tǒng)中沒有數(shù)字控制器，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、成本低廉。
【附圖說明】
[0022]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0023]圖1為本發(fā)明所述波長和功率恒定的激光驅(qū)動器電路整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖中，I是激光二極管，2是RTD溫度傳感器，3是半導(dǎo)體制冷片，4是波長控制閉環(huán)，5是功率控制閉環(huán)，6是溫度調(diào)理電路，7是制冷片驅(qū)動電路，8是功率控制電路，9是溫度米集信號，10是過溫、欠溫信號，11是制冷或加熱控制信號，12是激光功率采集信號，13是激光器電流控制信號。
[0025]圖2為本發(fā)明所述的波長控制閉環(huán)原理圖；
圖中，I是激光二極管，2是RTD溫度傳感器，3是半導(dǎo)體制冷片，41是橋式測溫電路，42是低通濾波器，43是溫度比較電路，44是TEC驅(qū)動器。
[0026]圖3為本發(fā)明所述的橋式測溫電路結(jié)構(gòu)圖。
[0027]圖4為本發(fā)明所述的RTD阻值與橋式測溫電路輸出電壓關(guān)系圖。
[0028]圖5為本發(fā)明所述的溫度比較電路結(jié)構(gòu)圖。
[0029]圖6為本發(fā)明所述的TEC驅(qū)動器電路結(jié)構(gòu)圖。
[0030]圖中，U23是H橋驅(qū)動器，441是過溫信號，442是欠溫信號，443是制冷片正極供電線路，444是制冷片負(fù)極供電線路。[0031 ]圖7為本發(fā)明所述的功率控制閉環(huán)電路原理圖。
[0032]圖中，I是激光二極管，51是負(fù)反饋放大器，52是1-V轉(zhuǎn)換電路，53是驅(qū)動控制邏輯電路，54是電流采樣信號，55是激光功率采樣信號，56是驅(qū)動控制信號。
[0033]圖8為通常采用的單閉環(huán)激光二極管恒流驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)圖。
[0034]圖中，I是激光二極管，51是負(fù)反饋放大器，57是采樣電阻，58是控制電壓，59是反饋電壓。
[0035]圖9為本發(fā)明所述的功率控制閉環(huán)電路結(jié)構(gòu)圖。
[0036]圖中，I是激光二極管，51是負(fù)反饋放大器，52是1-V轉(zhuǎn)換電路，53是驅(qū)動控制邏輯電路，57是采樣電阻，58是控制電壓，59是激光功率反饋電壓，5A是偏置電壓。
【具體實施方式】
[0037]參見附圖1，一種具有恒定波長和功率的激光驅(qū)動器電路，包括激光器二極管、波長閉環(huán)控制電路和功率閉環(huán)控制電路。所述激光器二極管為所述激光驅(qū)動器電路的核心器件，所述波長閉環(huán)控制電路和功率閉環(huán)控制電路，分別與所述激光器二極管電連接，對所述激光器二極管的發(fā)光波長和輸出功率進(jìn)行采樣和調(diào)控，以達(dá)到恒定控制所述激光器二極管的發(fā)光波長和輸出功率的目的。
[0038]參見附圖2，所述波長閉環(huán)控制電路包括RTD( Resistance TemperatureDetector，電阻式溫度檢測器)溫度采集傳感器、橋式測溫電路、低通濾波器、溫度比較電路、TEC驅(qū)動器和半導(dǎo)體制冷片，所述各器件順次電連接，所述RTD和半導(dǎo)體制冷片與所述激光器二極管連接，從而構(gòu)成一個采樣控制的閉環(huán)。
[0039]參見附圖3，所述橋式測溫電路包括電阻Rl、R2、R3、R4、R5、R6，電容Cl、C2，運算放大器Ul，電源VI，各器件連接關(guān)系如圖所示。其中，R3為RTD電阻，Vl為可調(diào)式恒壓源。
[0040]參見附圖5，所述溫度比較電路包括恒流電源U5、比較器U7A和U7B、電阻R35和R37。各器件連接關(guān)系如圖所示。
[0041]參見附圖6，所述TEC驅(qū)動器采用H橋驅(qū)動器U23，其第I引腳連接所述溫度比較器輸出的過溫信號引腳，其第2引腳連接所述溫度比較器輸出的欠溫信號引腳，其第5、6引腳連接所述半導(dǎo)體制冷片的正極，第7、8引腳連接所述半導(dǎo)體制冷片的負(fù)極。
[0042]參見附圖7，所述功率控制閉環(huán)包括負(fù)反饋放大器、1-V轉(zhuǎn)換電路和驅(qū)動控制邏輯電路，各器件連接關(guān)系如圖所示。
[0043]參見附圖9，本發(fā)明所述的功率閉環(huán)控制電路包括1-V轉(zhuǎn)換電路、負(fù)反饋運算放大器、驅(qū)動控制邏輯電路和采樣電阻，各器件的連接關(guān)系如圖所示。所述的功率閉環(huán)控制電路的設(shè)計重點就在于增加了光功率控制的閉環(huán)，如圖所示，使用激光二極管內(nèi)部的光電池信號的輸出，作為激光二極管光功率的反饋信息，通過1-V轉(zhuǎn)換電路將光電池信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，同時配合采樣電阻反饋的激光二極管電流，通過雙閉環(huán)去控制激光器的驅(qū)動電流，以此達(dá)到穩(wěn)定激光二極管的光功率的目的。
[0044]最后應(yīng)說明的是:顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之中。
【主權(quán)項】
1.一種具有恒定波長和功率的激光驅(qū)動器電路，其特征在于:所述激光驅(qū)動器電路包括激光器二極管、波長閉環(huán)控制電路和功率閉環(huán)控制電路，所述激光器二極管為所述激光驅(qū)動器電路的核心器件，所述波長閉環(huán)控制電路和功率閉環(huán)控制電路，分別與所述激光器二極管電連接，對所述激光器二極管的發(fā)光波長和輸出功率進(jìn)行采樣和調(diào)控，以達(dá)到恒定控制所述激光器二極管的發(fā)光波長和輸出功率的目的。2.如權(quán)利要求1所述的一種具有恒定波長和功率的激光驅(qū)動器電路，其特征在于:所述波長閉環(huán)控制電路包括RTD溫度采集傳感器、橋式測溫電路、低通濾波器、溫度比較電路、TEC驅(qū)動器和半導(dǎo)體制冷片，所述各器件順次電連接，所述RTD和半導(dǎo)體制冷片與所述激光器二極管連接，從而構(gòu)成一個采樣控制的閉環(huán)。3.如權(quán)利要求1或2所述的一種具有恒定波長和功率的激光驅(qū)動器電路，其特征在于:所述橋式測溫電路包括電阻則、1?2、1?、1?4、1?5、1?6，電容(:1工2，運算放大器1]1，電源￥1，各器件連接關(guān)系如圖所示，其中，R3為RTD電阻，Vl為可調(diào)式恒壓源。4.如權(quán)利要求1或2所述的一種具有恒定波長和功率的激光驅(qū)動器電路，其特征在于:所述溫度比較電路包括恒流電源U5、比較器U7A和U7B、電阻R35和R37，各器件連接關(guān)系如圖所示。5.如權(quán)利要求1或2所述的一種具有恒定波長和功率的激光驅(qū)動器電路，其特征在于:所述TEC驅(qū)動器采用H橋驅(qū)動器U23，其第I引腳連接所述溫度比較器輸出的過溫信號引腳，其第2引腳連接所述溫度比較器輸出的欠溫信號引腳，其第5、6引腳連接所述半導(dǎo)體制冷片的正極，第7、8引腳連接所述半導(dǎo)體制冷片的負(fù)極。6.如權(quán)利要求1所述的一種具有恒定波長和功率的激光驅(qū)動器電路，其特征在于:所述功率控制閉環(huán)包括負(fù)反饋放大器、1-V轉(zhuǎn)換電路和驅(qū)動控制邏輯電路，各器件連接關(guān)系如圖所示。7.如權(quán)利要求1或6所述的一種具有恒定波長和功率的激光驅(qū)動器電路，其特征在于:所述的功率閉環(huán)控制電路包括1-V轉(zhuǎn)換電路、負(fù)反饋運算放大器、驅(qū)動控制邏輯電路和采樣電阻，各器件的連接關(guān)系如圖所示，所述的功率閉環(huán)控制電路的設(shè)計重點就在于增加了光功率控制的閉環(huán)，通過雙閉環(huán)控制激光器的驅(qū)動電流，以此達(dá)到穩(wěn)定激光二極管的光功率的目的。
【文檔編號】H01S5/042GK105843285SQ201610346754
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年5月24日
【發(fā)明人】姚世平, 劉光中, 姚洪濤, 李洲強, 張學(xué)治
【申請人】天津倍肯生物科技有限公司