用于近紅外氣體檢測的高穩定性DFB激光器驅動電源設計*

王 昆,李 明,李亞萍

(1.河南職業技術學院電氣工程系,鄭州 450046;2.華北水利水電大學信息工程學院,鄭州 450045)

用于近紅外氣體檢測的高穩定性DFB激光器驅動電源設計*

王 昆1*,李 明1,李亞萍2

(1.河南職業技術學院電氣工程系,鄭州 450046;2.華北水利水電大學信息工程學院,鄭州 450045)

以TMS320LF28335數字信號處理芯片為核心控制器,開發出用于近紅外氣體檢測的高穩定性DFB激光器驅動電源。在硬件電路設計方面,采用雙重電壓反饋控制方案,實現微小電流誤差和高穩定電流輸出。同時具有慢啟動、過流保護和靜電保護功能。在軟件設計方面,引入數字PID控制算法,進一步消除了驅動電流誤差。實驗采用激射波長為1.742 μm的DFB激光器作為被驅動對象,DFB激光器驅動電源輸出線性度優于99.97%,長期穩定度為4×10-5,具有很強的實用價值。

反饋式激光器;Ziegler-Nichols PID算法;驅動電源;紅外氣體檢測

由于非對稱分子在近紅外譜段有很強的吸收特性,具有“指紋”特性。利用在某一特定紅外波長的氣體吸收光強可以對氣體濃度進行檢測[1-3]。DFB激光器工作溫度恒定時,其發光光強與激射電流成正比[4-5]。由于DFB激光器需要通過注入載電流來工作,而其抗擊電流沖擊的能力卻不強。一方面,如果注入的載電流過大,就會將DFB激光器瞬間燒毀;另一方面,如果注入的載電流不穩定,也會造成DFB激光器工作不穩定,嚴重的甚至會破壞其內部電子元件,影響其使用壽命[6-8]。考慮到商用級DFB激光器驅動電源的穩定性均不高的問題,結合實際項目指標的需求,引入雙重電壓反饋控制和數字式Ziegler-Nichols PID算法,設計的高穩定性DFB激光器驅動電源輸出線性度優于99.97%,長期穩定度為4×10-5。

1 驅動電源硬件系統設計

硬件系統由壓控恒流源模塊,控制器模塊,保護電路模塊及電源供電管理模塊組成,如圖1所示。

控制器模塊采用TMS320LF28335數字信號處理芯片。壓控恒流源模塊采用模擬反饋和數字反饋的方式構成雙閉環反饋,進一步增加驅動電流的穩定性。其中,模擬反饋采用線性深度負反饋,增加系統的線性度和穩定度。并且驅動電源包括慢啟動電、過流保護和靜電保護電路,能夠有效避免異常電流/電荷對DFB激光器的正常工作造成影響,從而保護DFB激光器。

圖1 系統組成框圖

1.1 壓控恒流源模塊

壓控恒流源模塊采用雙重反饋控制方案,實現微小的電流誤差和高穩定的電流輸出,如圖2所示。在標號為Ⅰ的反饋環中,由于場效應管的漏源極電流受柵源極電壓控制,以集成運算放大器UA為核心構成閉環系統,根據其同相端電位與反相端電位相等的原則,通過控制加在其正輸入端的電壓控制穩定電流的輸出[9]。

圖2 壓控恒流源模塊

同時,為了使驅動電流穩定性進一步提高,采用標號為Ⅱ的反饋環路,通過反饋環節將電壓模擬量轉換為數字量,與電流的預設量進行比對,利用Ziegler-Nichols PID算法對集成運算放大器UA同相輸入端的電壓進行調整,從而大大提高了驅動電流的穩定性。

標號為Ⅰ的反饋電路的設計關鍵是注意不要產生自激振蕩現象使該電路不穩定。過大的電容值會使系統建立動態平衡的時間變長,而取值過小又達不到消除自激振蕩的目的,需要反復實驗進行取舍[10]。其中,壓控恒流源模塊中,DAC型號為LTC1655,ADC型號為LTC1864,兩者分辨率均為16位。

1.2 保護電路模塊

在延時軟啟動電路方面,對經典π型網絡進行了改進,借助NPN型達林頓晶體管的大電流來間接提高電容的等效容值,使它產生大電容的效果,如圖3所示。

圖3 延時軟啟動電路

如果達林頓管的電流放大倍數為k,則在基極與地電位之間接入的電容C2就等效于在源極與地之間接入了容值為(1+k)C2的大電容。電源接通瞬間,Q1截止,它的初始射極輸出電流為零,外部電流通過接在達林頓管基極與集電極之間的電阻給電容C2充電,它的基極電位開始緩緩上升,當超過截止電壓后,Q1和Q2的工作狀態由截止變為放大,發射極電流由初始狀態一直變大直至飽和。這樣激光器的開啟與關閉都能躲過上電與斷電瞬間的電網浪涌沖擊,具體的延遲時間與電阻R的取值有關。同時,驅動電源還包括過流保護電路,可以實時地監控流過DFB激光器的電流,當驅動電流超過閾值時,可以切斷驅動支路,保護DFB激光器。由于實際環境中存在靜電,在實驗中如操作不當會損壞DFB激光器。驅動電源還包括靜電保護電路,將瞬態抑制二極管與DFB激光器反向并聯,組成靜電通路,對DFB激光器進行靜電保護。

2 Ziegler-Nichols PID算法

2.1 數字PID算法

由于傳統模擬PID控制參數一旦固定后就很難調整,給實際應用帶來很大不便。隨著集成芯片技術的發展,數字信號處理芯片大量涌現,成為數字PID核心控制器[11-12]。數字PID就是對模擬PID在時間軸上離散化后進行誤差量化,然后計算出比例項、積分項和差分項,如式(1)所示:

u(k)=

(1)

式中:e(i)為第i次采樣時,系統輸出的偏差值,T為系統采樣間隔時間,TI為積分周期,TD為微分周期。

2.2 Ziegler-Nichols工程整定方法

對于復雜的控制系統,建立的數學模型很難真實的表達對應系統,甚至存在很大差異。可以把被控系統看作成黑匣子[13],根據被控系統的輸出情況,確定最優控制參數P、I和D。此方法已廣泛地應用于控制領域中。

Ziegler-Nichols工程整定方法主要通過臨界法來尋求最優P、I和D控制參數。其中經驗公式如表1所示。

表1 Ziegler-Nichols法經驗公式

操作步驟如下:

Step 1 初始化被控系統,使系統不存在積分項和微分項,只有比例項;

Step 2 如圖4所示,逐步增加比例項參數直到系統輸出為等幅振蕩,此時比例項參數為臨界比例系數δpr和振蕩周期為Tpr;

Step 3 采用表1提供的經驗公式,確定控制參數P、I和D。

圖4 Ziegler-Nichols法臨界阻尼震蕩示意圖

圖5 DFB激光器驅動電源實物圖

3 驅動電源性能測試

DFB激光器驅動電源實物圖如圖5所示。實驗采用激射波長為1.742 μm的DFB激光器作為被驅動對象。

3.1 DFB激光器驅動測試

通過上述整定方式得到PID 3個參數分別為P=44.84,I=19.93,D=25.22。利用上述3個控制參數,設定目標驅動電流為100 mA。驅動電流測試曲線如圖6所示。

圖6 DFB激光器驅動電流測試曲線

從圖6可以看出,驅動電流于20 s后逐漸穩定,控制精度優于0.02 mA。

3.2 驅動電源系統線性度分析

驅動電流線性度是衡量驅動電源的重要指標之一[14]。壓控恒流源的輸入電壓與驅動電流成映射關系。實驗中,通過改變輸入電壓來測量驅動電流。將二者數據經過擬合后,得到曲線如圖7所示。

圖7 驅動電源系統線性度實驗曲線

圖8 系統驅動電流穩定度測試結果

結果顯示,最大驅動電流偏差值為0.087 3 mA,線性度為99.97%,性能良好。

3.3 驅動電源驅動電流穩定度分析

利用上述DFB激光器作為被驅動對象,對驅動電源驅動電流的穩定性進行測試實驗,結果如圖8所示。

實驗中,預設驅動電流為100 mA,在大于220 h的長期測試,驅動電流平均值為100.000 435 mA,與均值相差最大偏差值為0.000 439,穩定度(220 h)為4×10-5。

4 結束語

基于硬件和軟件雙閉環反饋控制方案,實現微小電流誤差和高穩定電流輸出。同時具有慢啟動、過流保護和靜電保護功能。通過驅動電源的性能測試,結果表明:設計的高穩定性DFB激光器驅動電源輸出線性度優于99.97%,長期穩定度為4×10-5,且具有慢啟動、過流保護和靜電保護功能,使其免受損壞,增加了使用壽命,能夠為近紅外氣體檢測提供穩定工作的供電保障,使檢測數據更精確。

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Design of High Stability DFB Driver Utilized in Near Infrared Gas Detection*

WANGKun1*,LIMing1,LIYaping2

(1.Department of Electrical Engineering,Henan Polytechnic,Zhengzhou 450046,China;2.School of Information Engineering,North China University of Water Resources and Electric Power,Zhengzhou 450045,China)

A high stability DFB(Distributed Feed Back)driver utilized in near infrared gas detection is designed,which is based on the core chip of TMS320LF28335 digital signal processor. In terms of hardware design,the double voltage feedback control architecture is used to achieve slight current error and highly stable current output with the features of slow start,over-current protection and electrostatic protection in the meanwhile time. In consider of software design,digital PID(Proportion Integral and Differential)control algorithm is used to further decrease the driving current error. A DFB laser with centre wavelength at 1.742 μm is utilized as a driving target in experiment,the linear of driving current of DFB lasers driver reaches 99.97%,and stability is 4×10-5,which behaves good significance in practice.

feedback laser;Ziegler-Nichols PID algorithm;driver power;infrared gas detection

項目來源:國家“十二五”科技支撐計劃項目(2014BAH09F00)

2016-03-10 修改日期:2016-05-29

C:1210;4320

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.02.035

TP271

A

1005-9490(2017)02-0435-04