基于STM32的DFB氣體激光器驅動電路設計與實驗

李紅巖，劉韓飛，3，王偉峰，李 俊，陳煒樂，劉 寶，楊 博

(1.西安科技大學 電氣與控制工程學院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054；3.西安科技大學 陜西省煤火災害防治重點實驗室，陜西 西安 710054)

0 引 言

可調諧二極管激光吸收光譜法(tunable diode laser absorption spectroscopy，TDLAS)，利用可調諧半導體激光器帶寬相對較窄的特性，掃描待測氣體的特定吸收線，并通過氣體分子獨立吸收線的吸收光譜計算待測物質的特征參數(shù)[1]，包括濃度、壓強、溫度和流速等[2-5]。

TDLAS技術具有檢測精度高、反應速度快、靈敏性好的特點，以非接觸的指紋檢測特性受到煤礦氣體檢測、環(huán)境安全檢測、工業(yè)過程氣體在線測量等方面應用的青睞[6-9]。在TDLAS系統(tǒng)中，半導體激光器是重要器件之一，半導體激光器的出光特性決定了TDLAS系統(tǒng)整體的檢測下限與檢測精度，是TDLAS系統(tǒng)中最為關鍵的組成部分[10]。

半導體激光器應用于氣體檢測方向的器件一般以分布反饋式(DFB)激光器為主，DFB激光器是根據(jù)器件結構進行分類，一般有蝶形封裝和TO封裝等[11]。TO封裝無片上熱管理系統(tǒng)，故只討論含有內部制冷裝置的蝶形封裝DFB激光器。

DFB激光器在控制上分為電流控制和溫度控制，電流控制一般采用恒流控制電路，需要具備低噪聲高精度的特點，防止電路中出現(xiàn)毛刺或干擾信號損害激光器。溫度控制一般以補償為主，防止溫度影響激光器的輸出特性，造成波長漂移[12-14]。

針對DFB激光器的實際應用需求，設計一款以雙重壓控恒流源與MAX1978溫度控制器為主體的DFB激光驅動器，能夠協(xié)同精準控制激光器的驅動電流和工作溫度。該驅動器可有效提高TDLAS氣體檢測系統(tǒng)的靈敏度與測量精度，并可為DFB激光器的波長的精準鎖定與可靠工作提供技術支撐。

1 TDLAS系統(tǒng)基本原理

TDLAS系統(tǒng)所遵循的基本理論為Lambert-Beer定律，Lambert-Beer定律在氣體吸收理論方面的定義為某一波長的光經(jīng)某一氣體吸收后其出射光強與入射光強之間的對應關系[15-16]。其數(shù)學表達式見式(1)。

Iout(v)=Iin(v)exp(-α(v)CL)

(1)

式中ν為激光頻率；Iout(v)為出射光強；Iin(v)為入射光強；α(v)為吸收系數(shù)；C為體積濃度；L為總光程長。

TDLAS系統(tǒng)一般采用二次諧波法進行濃度演算，其原理是通過調制的高頻正弦波與低頻鋸齒波的疊加信號驅動激光器掃描待測氣體中心波長，根據(jù)出射光的波形進行鎖相放大與二次諧波分析，并根據(jù)二次諧波峰值與光強信號成正比的關系進行TDLAS系統(tǒng)氣體濃度測量[17-18]。

2 激光器控制系統(tǒng)構成

DFB激光驅動器主要由單片機控制系統(tǒng)、恒流源及保護電路、雙向溫控電路等組成，其系統(tǒng)結構如圖1所示。STM32F103單片機主要負責上電檢測、電源時序控制、溫度讀取、PID溫度整定、電流/溫度保護策略等部分的軟件運行。恒流源采用雙級壓控恒流源，激光器內部NTC電阻配合ADC進行溫度讀取，MAX1978控制TEC的電流大小和方向調整溫度。溫度、電流等數(shù)據(jù)通過RS232串口進行監(jiān)控與設定。

圖1 激光器驅動及溫控系統(tǒng)結構Fig.1 Structure of laser driver and temperature control system

3 激光器驅動及保護電路設計

TDLAS氣體檢測系統(tǒng)所用DFB激光器一般使用恒流源來控制電流達到波長穩(wěn)定的效果。恒流源設計采用基于運放的壓控恒流源，它具有電壓控制、低漂移、多量程以及精度高等特點，基本電路如圖2所示。

圖2 精密壓控恒流源Fig.2 Precision voltage-controlled constant current source

電路工作時，三級管Q1工作在放大區(qū)，其放大倍數(shù)為K，流過LD的電流為

(2)

由式(2)可得，流經(jīng)激光器的電流ILD與電壓控制端Vin、三極管的放大倍數(shù)K、反饋電阻R3呈正相關，電路結構確定后，K與R3隨之確定，此時ILD僅與電源控制端Vin正相關，通過控制Vin即可控制流經(jīng)激光器的電流。

激光器保護電流采用雙級壓控恒流源進行設定，其簡易電路如圖3所示。

圖3 雙級壓控恒流源Fig.3 Two stage voltage-controlled constant current source

其基本原理與單級壓控恒流源相同，流經(jīng)LD的電流與反饋電阻R5呈正相關，U2控制的壓控恒流源可以設定流過Q2的電流，其大小與保護設定電壓Vpro呈正相關，當U1控制的Q1設定電流過大時，Q2可以限制整體電流，進而保護激光器。

檢測反饋電阻上的電流，同時把反饋電壓和保護電壓連接到電壓比較器，即可通過硬件判斷輸出是否過流并進行電源切換。

通過附加的電流監(jiān)控及過流保護電路，可實現(xiàn)保護電流設定、實時監(jiān)控、瞬時切斷等功能。

4 激光器溫控電路設計

4.1 溫度采集電路

DFB激光器一般采用內部TEC制冷片作為溫控器。TEC(thermo electric cooler)是一種電流控制型器件，基本原理為半導體材料的帕爾貼效應，當電流經(jīng)過半導體材料制作的電偶時，半導體材料兩端就會出現(xiàn)放熱/吸熱現(xiàn)象[19-20]。

DFB激光器內置NTC(negative temperature coefficient)電阻，電阻溫度與阻值呈負相關，采集激光器NTC電阻阻值，可轉換為激光器內部溫度。

溫度采集電路為R-V變換電路，其電路原理圖如圖4所示。

在R-V變換電路中，選用低輸入失調電壓[21]的運放ADA4528作為跟隨器的芯片，ADC芯片選用ADI公司生產(chǎn)AD7171。

在R-V變換電路中，NTC電阻變換后的電壓可根據(jù)公式(3)計算。

(3)

在進行R-V變換與模數(shù)轉換后，根據(jù)NTC電阻阻值與溫度對應表，建立電阻-溫度方程，即可計算出激光器內部溫度值。

圖4 R-V變換電路Fig.4 R-V conversion circuit

激光器內部NTC電阻在常溫(25 ℃)下阻值為10 K，溫度-阻值對應曲線如圖5所示。

圖5 NTC溫度阻值對照Fig.5 Comparison of NTC temperature resistance

由圖5可得，NTC電阻溫度與阻值的線性相關度不高，經(jīng)過一階線性擬合，其擬合方程見式(4)。

y=-524.61x+26 280，(R2=0.902 3)

(4)

由式(4)可得，NTC電阻溫度與阻值一階線性擬合的擬合度不足0.95，滿足不了激光器測溫的擬合需求。

經(jīng)過曲線擬合，得到指數(shù)擬合方程見式(5)。

y=32 288e-0.044x，(R2=0.998 5)

(5)

式(5)擬合度為0.998 5，符合激光器測溫要求。但由于單片機系統(tǒng)對曲線方程的計算能力不足，無法滿足實時計算的要求。因此，在實際測溫系統(tǒng)中，一般采用分段擬合來進行溫度轉換。

NTC電阻的B值在不同溫度范圍內不同，B值定義為在2個溫度區(qū)間T1和T2對應電阻值R1、R2的系數(shù)，計算方法見式(6)。

(6)

DFB激光器給定的標準B值為3 950 K，應用式(6)計算得出激光器實際應用范圍5～20 ℃下的B值B5-20為3 858 K。

4.2 溫度控制電路

MAX1978是美國美信公司針對TEC溫控器生產(chǎn)的控制芯片，通過控制流過TEC的電流方向和大小控制TEC溫度，最大電流為±3 A[22]。以STM32F103的模擬電壓輸出引腳作為電流控制端，配合數(shù)字PID算法，最終實現(xiàn)精準控溫。

MAX1978電路原理如圖6所示，通過集成運算放大器，可在其內部進行模擬PID整定。因設計采用數(shù)字PID控制算法，故省略內部自整定PID電路，采用R-V變換讀取溫度，經(jīng)過數(shù)字PID運算，輸出直流電壓到CTLI引腳，控制輸出電流大小。ITEC引腳可以監(jiān)控流經(jīng)TEC的實時電流，判斷TEC工作狀況[23]。

5 實驗結果與討論

5 min內激光器電流波動如圖7所示，絕對誤差為±0.005 mA，相比PCI-E激光驅動器(±0.011 mA)減小54.5%。

通過R-V變換電路配合MAX1978與數(shù)字PID算法，最終控制絕對溫度誤差在±0.01 ℃，相比PCI-E激光驅動器(±0.035 ℃)減小54.5%。

選擇低、中、常、高4個溫度進行實驗，其溫度波動曲線如圖8所示，低溫狀態(tài)下，激光器溫度波動范圍較大，需較大TEC功率進行溫度恒定。高溫狀態(tài)下，激光器本身工作發(fā)熱，TEC只需小功率工作，就可使激光器工作在允許誤差之間。

在實際工作中，激光器內部溫度需要快速調整，可通過觀察4次溫度變化來確定系統(tǒng)的溫度-時間響應速度，實驗效果如圖9所示。可得，溫度上升速率為20 ℃/s，經(jīng)過1～2次振蕩就能使溫度達到穩(wěn)定狀態(tài)。溫度下降速率為15 ℃/s，由于TEC需要較大功率抑制激光器本身發(fā)熱，溫度下降速率小于溫度上升速率。相比PCI-E激光驅動器(0.2 s/℃)，響應時間提高298%。

圖6 MAX1978電路原理圖Fig.6 Schematic diagram of MAX1978 ciruit

圖7 電流波動Fig.7 Current fluctuation

圖8 溫度波動Fig.8 Temperature fluctuation

溫度控制穩(wěn)定后，經(jīng)過雙極壓控恒流源輸出0～120 mA電流，激光器可輸出穩(wěn)定波長，室溫下電流-波長、溫度-波長關系如圖10所示，可得溫度調諧系數(shù)為0.09 nm/℃，電流調諧系數(shù)為0.014 nm/mA。

圖11為DFB乙烯激光器在室溫下不同電流的典型光譜圖。圖12為同一溫度電流調諧下傳統(tǒng)激光驅動器(B)與設計的高精度激光驅動器(A)氣體監(jiān)測系統(tǒng)諧波對比圖，可得，所設計激光器驅動在C2H4氣體檢測系統(tǒng)中一次諧波/二次諧波峰峰值更高，曲線更加平滑，經(jīng)過濃度反演后比傳統(tǒng)激光驅動器的系統(tǒng)精度提高17%。

圖9 溫度升降速率Fig.9 Rate of temperature rise and fall

圖10 溫度/電流對應波長Fig.10 Wavelength of temperature/current

圖11 電流溫度雙重控制下的典型光譜Fig.11 Typical spectrogram under double control of current and temperature

在驅動電路和溫控電路雙重作用下，激光器輸出波長可實現(xiàn)精準鎖定，同時具備在較高溫度范圍和電流范圍內快速自動協(xié)同調節(jié)的能力，且激光器輸出波長穩(wěn)定性較好，滿足TDLAS氣體檢測系統(tǒng)對DFB激光器電流與溫度精準協(xié)同控制的要求。

圖12 不同驅動器氣體監(jiān)測系統(tǒng)一次諧波/二次諧波對比Fig.12 Comparison of first harmonic and second harmonic of gas monitoring system with different drivers

6 結 論

1)設計的一種集電流調諧與溫度控制于一體的緊湊型DFB激光驅動器，實現(xiàn)高精度電流驅動下激光器工作溫度的精準控制。

2)提出一種改進的B值校正及計算方法，25 ℃條件下，實驗測試工作溫度的絕對誤差(0.004 ℃)比傳統(tǒng)方法的絕對誤差(±0.011 ℃)降低了2.75倍。

3)與傳統(tǒng)激光驅動器[24-25]對比，改進后的激光驅動器工作溫度絕對誤差(±0.01 ℃)降低了8～9倍，DFB激光器輸出光譜波長絕對誤差(0.000 6 nm)降低了33倍。

4)設計的激光驅動器通過實驗測試，其電流驅動與溫度控制的精確性和穩(wěn)定性得到驗證，降低了系統(tǒng)檢測的響應時間，提高了激光氣體檢測的靈敏度和測量精度，延長了DFB激光器的使用壽命，為TDLAS痕量氣體檢測的應用提供了可靠的技術支撐。