基于DSP2812的半導體激光器恒功率系統(tǒng)

譚立龍， 王鵬， 仲啟媛， 張翠

(1.火箭軍工程大學 導彈工程學院, 陜西 西安 710025; 2.西安航光儀器廠, 陜西 西安 710025)

0 引言

陀螺儀上半導體激光器的輸出功率受到溫度等因素的影響，造成位置敏感探測器(PSD)定位時產(chǎn)生偏差，從而影響陀螺儀的尋北精度。文獻[1]提出了基于模糊PID技術的激光器恒功率控制方法，通過模糊控制對參數(shù)進行調(diào)整，利用PID技術實現(xiàn)對輸入電流的控制，進而使激光器輸出功率穩(wěn)恒，但是這個方式在實現(xiàn)控制之前處理時間過長。文獻[2]通過建立負反饋實現(xiàn)了穩(wěn)定輸出激光器功率的目的，但系統(tǒng)硬件設計復雜，不利于電控系統(tǒng)的簡化。文獻[3-7]提出通過在大功率激光器內(nèi)部建立穩(wěn)定的溫度場，實現(xiàn)對輸出功率的穩(wěn)定控制。但是對于小功率激光器而言，溫度場的控制難度比較大，控制精度不夠，并且建立溫度場的外圍電路復雜、成本較高。

本文以DSP2812為控制核心，設計了半導體激光器的恒功率控制系統(tǒng)。硬件設計上，在滿足設計要求前提下，利用DSP實現(xiàn)主動控制，代替了傳統(tǒng)電路中在激光器PD端口和放大器之間加硬件電路實現(xiàn)反饋，避免了電阻等元器件參數(shù)性能隨著使用時間的增加而改變、影響系統(tǒng)可靠性；軟件設計上，設定激光器正常工作時的電流值，與實際檢測到的電流值進行對比，利用二者差值對驅動電流進行控制。實驗結果表明，所設計的恒功率控制系統(tǒng)可以穩(wěn)定激光器的輸出功率，改善陀螺儀尋北性能。

1 功率變化造成的影響

1.1 激光器功率變化對PSD定位精度的影響

對不同光功率的激光器，PSD接收能量中心不同的主要原因是PSD自身存在非線性，而且沒有準確的公式可以對非線性進行補償。PSD線性度的主要影響因素有3點：表面擴散層、底層材料電阻率的均勻性和有效的感光面積。以器件中心為軸，在2/3的范圍內(nèi)線性度最好，越靠近邊緣、線性度越差[8]。具體原理如圖1所示。圖1中，L為PSD光敏面長度，x為入射光點與PSD中心的距離。

以一維PSD為例，由于激光器光源的能量一般都不是均勻分布的，可以假設是多光束共同作用，合成激光器光束[9]。假設光斑由N個離散的光束組成，第i個光束作用在PSD上產(chǎn)生的總光電流為kiIt(ki為第i個光束電流占總電流的比例，It為總電流)，以雙光束為例，當A、B光束分別單獨作用時，在輸出電極1、2上產(chǎn)生的光電流為

圖1 激光照射一維PSD位置圖Fig.1 One-dimensional PSD location map of laser irradiation

(1)

(2)

式中：xA、xB分別為A、B光束入射光點與PSD中心的距離；kA、kB分別為A、B光束電流占總電流的比例。

在二者共同作用下，由電流疊加原理，電極1、2上收到的電流分別為

(3)

假設光束A、B共同作用時坐標為xAB，總光電流為IAB=(kA+kB)It，則(1)式可以改寫為

(4)

由(1)式、(4)式，有I1相等，即

[kA(L-xA)+kB(L-xB)]It/(2L)=
(L-xAB)·(kA+kB)It/(2L)，

(5)

因此：

xAB=kAxA/(kA+kB)+kBxB/(kA+kB).

(6)

由(6)式可知，當激光器的能量發(fā)生變化時，各個光束所占的比重kA、kB不同，因此總光束合成的位置xAB將發(fā)生變化，導致PSD識別的能量中心點發(fā)生偏移，造成零位偏差。

1.2 激光器功率變化對尋北精度的影響

溫度變化造成激光器功率產(chǎn)生變化，導致PSD定位精度產(chǎn)生偏差，表現(xiàn)在陀螺儀中主要是尋北時零位基準確定不準確，造成尋北儀的精度不高。通過實驗驗證由于半導體激光器功率改變造成的尋北精度的變化。

為便于比較，首先確定在正常工作溫度25 ℃下，測得基準方位角為0°30′37.5″. 在步入式恒溫室中，設定溫度分別為-20 ℃、0 ℃、20 ℃和40 ℃，為了避免其他因素造成的影響、保證實驗結果的準確性，在同一溫度下，利用陀螺儀進行多次尋北測量，測量結果利用格羅布斯剔數(shù)法則[10]，將粗大誤差剔除，記錄實驗結果。由于篇幅有限，以40 ℃為例展示，如表1所示(測試日期2019年3月10日，環(huán)境溫度15 ℃，測試地點在西安，控制溫度40 ℃)。

表1 改進前40 ℃尋北結果Tab.1 North-seeking results at 40 ℃ before improvement

由表1可知：當陀螺尋北儀工作溫度遠大于自身正常工作溫度25 ℃時，尋北精度將會發(fā)生較大衰減。在40 ℃的情況下，尋北精度為11″.

2 半導體激光器功率穩(wěn)恒設計

半導體的激勵方式大多采用電流注入，在閾值電流以上，注入的電流大小與激光器的輸出功率之間呈正比[11]。基于此，可以通過控制激光器的驅動電流實現(xiàn)對輸出光功率的穩(wěn)恒控制，消除溫度造成的影響。

2.1 硬件電路設計

選擇ADL-65053TL半導體激光器，其中LD為發(fā)光器件，PD為光功率探測器件，其光生電流反映LD功率大小，PD管腳接正電位。在PD上串接電阻，檢測的反饋電流信號通過電阻轉換為電壓信號，反映輸出光功率的大小；在LD上串聯(lián)限流電阻R，當檢測的信號與設定值存在差值時，控制LD的驅動電流ILD，即控制管子的發(fā)光功率。

設計的半導體激光器恒功率控制電路總體設計方案框圖如圖2所示。圖2中，Ir(ki)為設定電流，Ie(ki)為電流偏差，Ic(ki)為測量電流，U(ki)為測量的電壓值，U(t)為D/A轉換后的電壓值，Ic(t)為驅動電流。

圖2 半導體激光器輸出功率穩(wěn)定控制方框圖Fig.2 Block diagram of stable output power control of semiconductor laser

整個系統(tǒng)由DSP2812處理芯片控制，采集的激光器功率信號為電流信號，經(jīng)過電流/電壓轉換后，進入DSP內(nèi)部的A/D轉換器轉換成數(shù)字信號，DSP可以對形成的數(shù)字信號通過軟件編程進行運算處理、修正，經(jīng)過修正的數(shù)據(jù)通過D/A轉換器輸出，進入功率放大器，進一步驅動半導體激光器，從而形成光功率穩(wěn)定輸出的負反饋閉環(huán)控制回路。

2.1.1 電源系統(tǒng)電路設計

在控制系統(tǒng)中，外部采用5 V電源供電，DSP2812需要將其轉化為1.8 V和3.3 V，分別為CPU(中央處理器)、FLASH(閃存)、ADC(模數(shù)轉換電路)和I/O端口供電。為了使各模塊上電時保持正確復位狀態(tài)，需要保證先高電平、后低電平供電的上電順序。

考慮到硬件系統(tǒng)對電源要求具有穩(wěn)壓功能、紋波小、功耗低等特點，選用美國德州儀器公司REG1117線性穩(wěn)壓器給DSP供電，以滿足系統(tǒng)要求的嚴格上電順序。電路設計如圖3所示。圖3中：C12、C13和C18為低頻濾波電容，消除電路中的低頻雜波信號；C21和C11為高頻濾波電容，從而使得輸出為更加平滑的電壓信號。

圖3 電源系統(tǒng)電路圖Fig.3 Circuit diagram of power supply system

圖4 恒功率控制硬件電路圖Fig.4 Hardware circuit diagram of constant power control

2.1.2 自動功率控制電路設計

在進行激光器自動功率控制電路設計時，將環(huán)境溫度為25 ℃時穩(wěn)定的激光器工作狀態(tài)下的探測器光電流作為設定值。當LD隨著溫度變化功率增大(減小)時，背向光檢測器PD上感應到的電流也會隨之增大(減小)，將監(jiān)測的電流與設定的光電流對比，利用差值反饋決定注入LD的電流大小，最后通過DSP2812上的軟件編程實現(xiàn)驅動電流的調(diào)整。同時考慮到電路振蕩和浪涌等因素，設計的自動功率控制電路如圖4所示。圖4中：R1為0 Ω電阻，相當于一個導線，用作調(diào)試；R2為限流電阻，用來保護三極管Q1；R6、R5為反饋電阻，構成一個跟隨器；R8為精密電阻，主要作用是檢測光電流變化；R9為限流電阻；R10為一個電流轉換電阻。

電路中Laser1連接半導體激光器中的LD，Laser2連接半導體激光器的PD. 在電路設計和器件選擇中，需要考慮系統(tǒng)中存在的振蕩和電路的穩(wěn)定性等。Q1選用NPN型三極管s9013，工作溫度為-55 ℃～150 ℃；激光器選用ADL-65053-TL-2型激光器，在5 mW的功率下，工作電流最大為10 mA，如表2所示。

表2 半導體激光器參數(shù)Tab.2 Semiconductor laser parameters

2.1.2.1 確定限流電阻R9的阻值

在半導體激光器功率穩(wěn)恒電路中，供電電壓為5 V，激光器的最大工作電壓為2.5 V，s9013的飽和電壓為0.3 V，因此三極管發(fā)射極的電壓U為5-2.5-0.3=2.2 V. 半導體激光器的電流為10 mA，因此限流電阻最小的取值為

(7)

相應地，功率為

(9)

2.1.2.2 確定反相放大器的輸出

穩(wěn)態(tài)時，三極管的集電極電流Ic的取值范圍為25 mA≤Ic≤35 mA，放大倍數(shù)β值為100，因此能夠得到基極電流Ib為0.25 mA≤Ib≤0.35 mA.

對半導體激光器的反相輸出端，

UoR8-UiR8=UiR5，

(9)

因此

(10)

式中：Uo、Ui分別為IC1B的輸出和同相輸入端電壓。

電容C3的主要作用是穩(wěn)定電路，當輸入端的電壓突然升高時，由于電容的存在，不會使得反相放大器的輸出端突然增大。放大器的選擇為LM158，它的響應為0.3 V/μs. 對于本系統(tǒng)而言，沒有選擇響應較快放大器的主要原因有兩點：一是低速放大器能夠滿足設計需求；更重要的一點是低速放大器在電路出現(xiàn)毛刺、尖峰時，不會馬上響應，增強了電路系統(tǒng)的抗干擾能力。

電路采用負反饋實現(xiàn)功率穩(wěn)定。當Laser2檢測到通過PD的電流變小時，與R8相連的點電勢降低，即反相放大器的反相輸入端電壓減小，因此反相放大器的輸出端增大，這時三極管基極的電流增大，使得從集電極流過發(fā)射極的電流相應增大，即驅動LD的電流增大，補償激光器的功率降低。

電路中IDAC0端口的作用是主動改變激光器的功率大小。一種方法是在PD端口和IDAC0端口之間利用硬件實現(xiàn)負反饋，但是會造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，主要表現(xiàn)在：當PD處檢測到的電流減小時，即激光器功率下降，反相輸入端的電壓降低，輸出端的電壓隨之升高，從而使驅動LD的電壓升高，又因為IDAC0端口與PD是負反饋相連，感應到PD上的功率變小，IDAC0端口電壓將會增大，這時流過LD的電流相應增加，使激光器功率上升，這種過程會一直持續(xù)到激光器的功率達到飽和才結束。因此本文直接利用DSP處理芯片中數(shù)模轉換之后的引腳控制端口。

2.1.2.3 DSP處理模塊的設計

DSP電路作為整個系統(tǒng)的核心控制部分，主要作用是采集激光器的輸出功率數(shù)據(jù)，通過內(nèi)部進行A/D轉換后，將數(shù)據(jù)進行分析處理，再利用D/A轉換器實現(xiàn)數(shù)模轉換，利用得到的控制電流進一步實現(xiàn)對半導體激光器的驅動。

由DSP電路可以看出：它的接口非常簡單，通過片內(nèi)的A/D通道實現(xiàn)模擬量的采集，減少了外圍電路設計，不僅使印刷電路板(PCB)的面積減小，而且還提高了系統(tǒng)的可靠性；而利用DSP內(nèi)部的DAC模塊實現(xiàn)數(shù)字量輸出，實現(xiàn)了對半導體激光器驅動電流的調(diào)節(jié)。進行DSP時鐘設計時，考慮到低功耗的要求，DSP2812內(nèi)部采用32 kHz的時鐘信號，該系統(tǒng)的時鐘部分采用晶體振蕩器實現(xiàn)。

利用Altium Designer[12]軟件設計完成電路原理圖后，將原理圖進行布線生成PCB圖，得到的PCB如圖5所示。

圖5 恒功率設計PCB圖Fig.5 PCB drawing

在PCB圖設計的基礎上，制作完成半導體激光器恒功率控制的硬件電路板，如圖6所示。

圖6 恒功率控制硬件電路Fig.6 Constant power control hardware circuit

2.2 恒功率控制原理

恒功率控制的原理是通過監(jiān)測流過PD的電流，當與設定值相比產(chǎn)生變化時，通過負反饋調(diào)整注入激光器的電流，實現(xiàn)對激光器輸出光功率的補償[13-14]。繪制激光器恒功率控制系統(tǒng)結構框圖見圖7. 圖7中：V(s)為系統(tǒng)期望的參考電壓值；Y(s)為系統(tǒng)實際的輸出量；K(p)為比例控制器；G(s)為被控對象LD；H(s)為反饋器件，即封裝在半導體激光器組件中的光電二極管PD；D(s)為干擾信號，這里主要是指溫度。從激光器芯片的背向激光中檢測到一部分能線性反映輸出光功率變化的光信號，經(jīng)光電轉換變成電信號。該信號與基準參考電壓V(s)比較，當參考電流值小于測定值時，二者差值為“-”，比例控制器K(p)控制激光器的驅動電流減小；當參考電流值大于測定值時，二者差值為“+”，K(p)控制激光器的驅動電流增大，從而維持輸出光功率的穩(wěn)定。系統(tǒng)的軟件流程圖如圖8所示。

圖7 自動功率控制結構框圖Fig.7 Block diagram of automatic power control system

圖8 系統(tǒng)的軟件流程圖Fig.8 Software flow chart of the system

3 半導體激光器恒功率控制實驗結果分析

為了檢驗設計的電路板能否達到穩(wěn)定半導體激光器輸出功率的目的，利用光功率計進行改進前后激光器輸出功率隨溫度變化的實驗。樣機中激光器額定輸出功率5 mW，工作溫度-20 ℃～50 ℃.

3.1 未加激光器恒功率控制電路

激光器與光功率計相連，一起置于密閉箱中，改變箱體中的溫度值，觀察光功率計的示數(shù)。不同溫度下的激光器輸出功率變化情況如圖9所示。

圖9 改進前激光器輸出功率Fig.9 Laser output powers before improvement

由圖9可知，激光器輸出功率未加恒定控制時，隨著溫度的改變，激光器輸出功率會產(chǎn)生較大變化，溫度越高，激光器的功率反而越低。在-20 ℃～40 ℃之間，激光器的輸出功率最大相差約2.9 mW.

3.2 其他條件不變，將恒功率控制電路板與激光器相連

通過外部人為進行溫度控制，得到溫度梯度-20 ℃、0 ℃、20 ℃和40 ℃. 在不同的溫度場下對半導體激光器的輸出光功率進行測試，實驗平臺如圖10所示。

圖10 半導體激光器恒功率控制實驗平臺Fig.10 Control experiment on constant power control of semiconductor lasers

為了更加清晰地反映改進之后激光器的輸出光功率與溫度之間的關系，將得到的數(shù)據(jù)在同一坐標系下繪制成折線圖，如圖11所示。

圖11 改進后不同溫度下激光器輸出功率Fig.11 Output power curves at different temperature after improvement

從圖11中可以看到，雖然溫度發(fā)生了較大變化，但是激光器的輸出功率并沒有發(fā)生較大的跳變，而是始終保持在4.655 mW附近上下波動，波動區(qū)間范圍為[4.652 mW，4.657 mW]，對于輸出功率而言這種變化基本上可以視為是一個恒定值。溫度變化范圍從0 ℃到40 ℃，輸出功率的變化量從未加控制前的2.884 mW減小到0.005 mW.

將設計的半導體激光器恒功率控制電路加載在樣機陀螺儀中，如圖12所示。在恒溫室中按照正確的尋北步驟架設陀螺儀并且進行尋北實驗。

圖12 陀螺儀尋北精度測量Fig.12 Precision measurement of gyroscope north-seeking

在恒溫室中架設陀螺儀，為了驗證恒功率控制電路的有效性，恒溫室的溫度梯度設置同樣為-20 ℃、0 ℃、20 ℃和40 ℃，實驗結果如表3所示(測試日期2019年3月10日，環(huán)境溫度15 ℃，測試地點在西安，控制溫度40 ℃)。

表3 改進后40 ℃尋北結果Tab.3 North-seeking results at 40 ℃ after improvement

由表3可知：當對陀螺尋北儀中的半導體激光器增加恒功率控制電路后，尋北儀的尋北精度將顯著提高。在40 ℃溫度下，尋北精度為3″，與改進前相比，提高了大約70%.

4 結論

本文通過分析陀螺儀上激光器功率變化造成的影響，設計了基于DSP2812的半導體激光器恒功率控制電路。通過硬件搭建和軟件負反饋，實現(xiàn)了對輸出功率的精準控制。實驗結果表明，設計的功率穩(wěn)恒電路中激光器輸出功率最大偏差為0.005 mW，尋北精度最大偏差減小為3″，即陀螺儀的尋北精度與未加控制相比大幅提高；同時也表明，設計的激光器恒功率控制系統(tǒng)在改善陀螺儀性能方面具有良好的實用價值。