PID參數整定的半導體激光器溫度控制*

趙 斌， 李 昊(河南工學院 電氣工程系， 河南 新鄉 453003)

PID參數整定的半導體激光器溫度控制*

趙 斌， 李 昊
(河南工學院 電氣工程系， 河南 新鄉 453003)

為了降低環境溫度對近紅外分布反饋式激光器(DFB)的輸出光功率以及中心波長波動的影響，采用PID控制方案設計了一種DFB激光器溫度控制系統.PID系統通過硬件電路調整比例(Kp)、積分(Ki)及微分(Kd)參數來尋求動態平衡建立時間和最大振蕩幅度的最佳值.結果表明，該溫度控制系統的控制精度為±0.05 ℃，溫度控制范圍為10～50 ℃.通過較長時間的監測，DFB激光器的溫度始終處于穩定狀態，輸出的中心波長沒有出現漂移，能夠滿足氣體濃度高檢測精度的要求.

分布反饋式激光器； 溫度控制； 電阻溫度檢測器； 熱電控制器； 帕爾貼效應； PID系統； 激射光譜； 中心波長

對于分布反饋式(DFB)激光器而言，PN結溫度的變化會影響輸出中心波長的穩定，其波長隨溫度變化率在0.06～0.07 nm/℃之間[1].當系統工作在超負載或對系統響應速度要求苛刻的場合時，復雜的算法需要較長運算時間，嚴重限制系統性能[2].DFB激光器經銷商以國外廠商如ILX Lightwave、Thorlabs和Newport為代表，國內則以溫州上通儀表公司為代表[3-4]，但經銷的DFB激光器長期穩定度最優性能僅僅為±0.1 ℃，不能滿足氣體濃度高檢測精度的要求.

為了研制出成本低、性能優越、體積小的激光器恒溫控制系統，本文設計了一款基于模擬PID理論的DFB激光器恒溫控制系統，該系統將處理器從復雜的溫度控制算法中釋放出來，適用于各種實現要求高的場合.

1 激光器恒溫控制系統

圖1為研制設計的DFB激光器溫度恒定控制系統結構圖.在對DFB激光二極管進行封裝時，電阻溫度檢測器(RTD)與激光器緊密相連，用于實時檢測激光二極管的結溫度.熱電制冷器(TEC)放置在RTD與控制器之間，用于調節激光二極管的結溫度.

圖1 激光器恒溫控制系統Fig.1 Constant temperature control system of laser

選用TMS320LF28335作為主控制器，通過設定數模轉換器(DAC)的模擬電壓值來完成要求的實際控制溫度信息.選擇負溫度系數的RTD測量激光器的實時溫度，它的阻值隨激光二極管結溫度的增加而減小，負溫度系數熱敏電阻器(NTC)通過橋式電路和儀表放大器(AD620)將電阻值轉換為電壓值，該電壓值與主控制器設置的控制電壓值進行比較，得到溫度差值信號，完成溫度誤差的提取，并送入模擬PID電路.將疊加后的模擬控制電壓送入溫度控制器(MAX1968)，完成對DFB激光溫度的控制處理.

當DFB激光器的設定溫度低于激光二極管PN結的實際溫度時，溫度控制器控制TEC進行加熱處理；當DFB激光器的設定溫度高于激光二極管PN結的實際溫度時，溫度控制器控制TEC進行制冷處理.溫度控制器能夠對流過TEC的電流進行實時監測，并對加熱或制冷電流進行限制.通過儀表放大器將輸出的電壓信號送入溫度檢測電路，DSP對該電壓進行采樣并轉換成實際的溫度值，送入系統的顯示單元.

1.1 TEC驅動電路設計

目前商用的TEC都是利用半導體材料的帕爾貼效應生產制作的，根據直流電流的方向不同，會在接觸表面分別吸收能量或釋放能量[5].為了對DFB激光器的溫度進行有效控制，需要對流過熱電制冷器(TEC)的電流方向和大小進行準確控制.熱電制冷器與DFB激光器、NTC封裝在一起，利用TEC對DFB激光器進行恒溫控制，流過熱電制冷器的電流方向決定恒溫控制系統是進行加熱處理還是致冷處理.本文從控制精度、使用便攜性及功率大小等方面考慮，選擇美信公司制造的專用于熱電制冷器的控制芯片MAX1968實現對DFB激光器的溫度控制.

MAX1968芯片內部集成了電流限制功能電路，通過外部電阻實現對TEC反向電流、正向電流以及TEC兩端電壓最大值的限制.最大反向電流和正向電流分別由MAXIP引腳和MAXIN引腳上的電壓決定.

MAX1968芯片底部放置長方形金屬熱沉，設計PCB電路時，應將該芯片底部進行鋪銅處理，最好將芯片底部焊接到電路板上，否則過高的節點溫度會將芯片直接燒毀，系統中選擇長方形的“冰蠶”散熱器對芯片進行外置散熱處理.

1.2 溫度采集電路

本文提出的溫度采集電路圖如圖2所示.數模轉換器的功能是將數字電壓轉換成模擬電壓，它是連接模擬控制電路與數字控制電路的紐帶，本系統采用亞德諾半導體公司生產的16位低功耗DAC轉換芯片AD5541，它選擇三線串行控制方式，通過DSP芯片的SPI結構與主控制器相連接.電阻R1、R2、R3與負溫度系數熱敏電阻構成橋路，該電阻橋式結構與專用儀表放大器(AD620)共同構成溫度測量電路.

圖2中RRTD為具有負溫度系數的熱敏電阻.為了達到較高的檢測精度，橋式電路中電阻R1、R2和R3選擇具有相同溫度漂移系數的精密電阻來減小外部溫度變化對模擬電路控制精度的影響.AD620的輸出電壓與NTC電阻的關系表達式為

(1)

式中：RG=25 kΩ；R1=R2=10 kΩ；R3=5.1 kΩ；UREF=5 V.溫度輸出電壓Usig近似表達為

(2)

儀表放大器內部集成3個運算放大器，橋式電路的每一路輸出都接入運算放大器的正輸入端.運算放大器正輸入端的輸入阻抗近似無窮大，它能最大限度低降后端電路對熱敏電阻變化的影響.此外，AD620具有較低的電壓噪聲密度，較低的溫漂系數，外圍電路也比較簡單，僅需要單個外接電阻就能完成電路放大倍數的調整以及極高共模電壓的抑制.

圖2 溫度采集電路Fig.2 Temperature acquisition circuit

選擇溫度范圍在10～50 ℃之間，采用origin軟件繪制的電阻溫度關系曲線如圖3所示，其曲線表達式為R=1.409 27+31.898 6e-θ/19.056 87.

圖3 熱敏電阻阻值和激光器工作溫度的關系曲線Fig.3 Relation curve between thermistor value and laser working temperature

根據電阻與溫度關系式可知，當激光二極管工作在10 ℃時，RRTD=20.31 kΩ，Usig=4.489 V；當激光二極管工作在40 ℃時，RRTD=5.298 kΩ，Usig=0.142 8 V，能夠滿足溫度控制系統的控制要求.選擇AD8276作為減法器，該芯片內部采用激光刻蝕技術集成4個溫度特性匹配的電阻，因此，不需要外圍電路即能實現減法器的功能.

1.3 模擬PID控制電路

PID控制電路的結構及控制參數必須由現場調試結果來決定.傳統PID理論的參數整定方法有很多，本文選擇常用的臨界比例法對電路系統的參數完成整定工作.臨界比例法的參數整定過程如下：

1) 選擇激光二極管的工作溫度為10 ℃；

2) 去除積分電路和微分電路，僅使用比例放大電路進行系統控制，調節比例放大系數，直到示波器顯示的誤差信號出現反復震蕩；

3) 加入積分控制電路，調節電路積分系數，直到系統的穩態誤差信號達到最小值；

4) 加入微分控制電路，進一步降低系統誤差；

5) 選擇激光二極管的工作溫度為50 ℃，重復上述過程，最后比例放大系數取兩者的最大值，微分系數和積分系數取二者的平均值.

2 激光器溫度測試實驗

為了降低控制系統軟件設計的復雜性，提高DFB激光器輸出波長的穩定性以及溫度控制的精確度，本文對自主設計的溫度控制系統性能進行了測試.測試由兩部分組成：

1) 從電路角度出發，測試DFB激光器溫度控制系統的響應時間及穩定精度.

2) 對DFB激光器的輸出光譜進行測量，觀測溫度控制系統對DFB激光器輸出光譜的影響；對中心波長在1 563 nm附近的DFB激光器進行電路測試實驗.

2.1 穩定性控制實驗

實驗中通過主控制器TMS320LF28335將激光器的工作溫度設定為20 ℃(實驗室環境溫度約為25 ℃).在零時刻溫度控制系統開始工作，實驗測量得到的DFB激光器溫度隨時間變化曲線如圖4所示.

圖4 溫度控制器穩定性Fig.4 Stability of temperature controller

由實驗數據可知，DFB激光器的最終工作溫度達到了系統所設定的溫度值.經過長時間觀測，DFB激光器的溫度變化范圍在-0.05～0.05 ℃之間.觀測溫度控制器的響應時間可知，DFB激光器開始溫度控制到實際溫度達到設定值的時間大概為1 min.通過70 min的觀測，激光器的溫度進入設定值后，沒有出現較大的跳變點，因此，該溫度控制器具有高的穩定性.

2.2 激光器輸出光譜測試

選擇上述溫度控制器對DFB激光器進行溫度控制，采用傅里葉紅外光譜儀(分辨度為0.125 cm-1)測量分布反饋式激光器的發射光譜.設定激光器的注入電流為40 mA，恒溫控制器控制DFB激光器分別工作在39～43 ℃下，此時分別測量DFB激光器輸出的光譜，測試結果如圖5所示.

圖5 激光器激射光譜圖(電流40 mA)Fig.5 Laser emitting spectrum with current of 40 mA

由圖5可知，DFB激光器的輸出峰值波長隨著工作溫度的增加而增大.設定激光器的工作電流分別為50、60和70 mA，重復上述步驟，利用傅里葉紅外光譜儀對激光器輸出的光譜進行測量，測量結果如圖6～8所示.

圖6 激光器激射光譜圖(電流50 mA)Fig.6 Laser emitting spectrum with current of 50 mA

圖7 激光器激射光譜圖(電流60 mA)Fig.7 Laser emitting spectrum with current of 60 mA

圖8 激光器激射光譜圖(電流70 mA)Fig.8 Laser emitting spectrum with current of 70 mA

3 結 論

本文設計了基于PID理論的DFB激光器溫控系統，溫度控制范圍在10～50 ℃之間，穩定度為±0.05 ℃，精度為0.1 ℃，響應時間低于60 s.

圖9 激光器激射波長與工作溫度及注入電流的關系Fig.9 Relation between laser emitting wavelength，working temperature and injection current

與造價昂貴的商用集成溫度控制器相比，自主設計的溫度控制器不僅具有較小的體積，同時也具有較低的成本，能夠非常方便地集成到各種半導體激光器的控制系統中，具有潛在的應用價值.

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(責任編輯：景 勇 英文審校：尹淑英)

Temperature control of semi-conductor laser with PID parameter tuning

ZHAO Bin, LI Hao
(Department of Electrical Engineering, Henan Institute of Technology, Xinxiang 453003, China)

In order to reduce the effect of environment temperature on the output optical power and center wavelength of near-infrared distrubuted feedback (DFB) laser, a temperature control system of DFB laser was designed with the PID control scheme. The PID control system could obtain the optimium point between the dynamic balance setting time and maximium oscillation amplitude through adjusting the proportion (Kp), integration (Ki), differentiation (Kd) parameters with the hardware circuit. The results show that the control precision of temperature control sysytem is ±0.05 ℃, and the temperature control scope is from 10 ℃ to 50 ℃. After longer term supervision, the temperature of DFB laser maintains a very stable status, and the output center wavelength has no drift, which can satisfy the requirements of high detection accuracy for the gas concentration.

distributed feedback (DFB)laser; temperature control; resistor temperature detector; thermal electrical controller; Peltier effect; PID system; emitting spectrum; center wavelength

2016-12-16.

河南省高等學校重點科研項目(16A413005).

趙 斌(1977-)，男，河南新鄉人，副教授，碩士，主要從事嵌入式系統、智能控制等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.04.16

TN 215

A

1000-1646(2017)04-0444-05

*本文已于2017-06-21 21∶19在中國知網優先數字出版. 網絡出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20170621.2119.012.html