PID参数整定的半导体激光器温度控制*
赵斌, 李昊
河南工学院 电气工程系, 河南 新乡 453003

作者简介: 赵 斌(1977-),男,河南新乡人,副教授,硕士,主要从事嵌入式系统、智能控制等方面的研究.

摘要

为了降低环境温度对近红外分布反馈式激光器(DFB)的输出光功率以及中心波长波动的影响,采用PID控制方案设计了一种DFB激光器温度控制系统.PID系统通过硬件电路调整比例( Kp)、积分( Ki)及微分( Kd)参数来寻求动态平衡建立时间和最大振荡幅度的最佳值.结果表明,该温度控制系统的控制精度为±0.05℃,温度控制范围为10~50℃.通过较长时间的监测,DFB激光器的温度始终处于稳定状态,输出的中心波长没有出现漂移,能够满足气体浓度高检测精度的要求.

关键词: 分布反馈式激光器; 温度控制; 电阻温度检测器; 热电控制器; 帕尔贴效应; PID系统; 激射光谱; 中心波长
中图分类号:TN215 文献标志码:A 文章编号:1000-1646(2017)04-0444-05 doi: 10.7688/j.issn.1000-1646.2017.04.16
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
Abstract

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.

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

对于分布反馈式(DFB)激光器而言, PN结温度的变化会影响输出中心波长的稳定, 其波长随温度变化率在0.06~0.07nm/℃之间[1].当系统工作在超负载或对系统响应速度要求苛刻的场合时, 复杂的算法需要较长运算时间, 严重限制系统性能[2].DFB激光器经销商以国外厂商如ILX Lightwave、Thorlabs和Newport为代表, 国内则以温州上通仪表公司为代表[3, 4], 但经销的DFB激光器长期稳定度最优性能仅仅为± 0.1℃, 不能满足气体浓度高检测精度的要求.

为了研制出成本低、性能优越、体积小的激光器恒温控制系统, 本文设计了一款基于模拟PID理论的DFB激光器恒温控制系统, 该系统将处理器从复杂的温度控制算法中释放出来, 适用于各种实现要求高的场合.

1 激光器恒温控制系统

图1为研制设计的DFB激光器温度恒定控制系统结构图.在对DFB激光二极管进行封装时, 电阻温度检测器(RTD)与激光器紧密相连, 用于实时检测激光二极管的结温度.热电制冷器(TEC)放置在RTD与控制器之间, 用于调节激光二极管的结温度.

图1 激光器恒温控制系统Fig.1 Constant temperature control system of laser

选用TMS320LF28335作为主控制器, 通过设定数模转换器(DAC)的模拟电压值来完成要求的实际控制温度信息.选择负温度系数的RTD测量激光器的实时温度, 它的阻值随激光二极管结温度的增加而减小, 负温度系数热敏电阻器(NTC)通过桥式电路和仪表放大器(AD620)将电阻值转换为电压值, 该电压值与主控制器设置的控制电压值进行比较, 得到温度差值信号, 完成温度误差的提取, 并送入模拟PID电路.将叠加后的模拟控制电压送入温度控制器(MAX1968), 完成对DFB激光温度的控制处理.

当DFB激光器的设定温度低于激光二极管PN结的实际温度时, 温度控制器控制TEC进行加热处理; 当DFB激光器的设定温度高于激光二极管PN结的实际温度时, 温度控制器控制TEC进行制冷处理.温度控制器能够对流过TEC的电流进行实时监测, 并对加热或制冷电流进行限制.通过仪表放大器将输出的电压信号送入温度检测电路, DSP对该电压进行采样并转换成实际的温度值, 送入系统的显示单元.

1.1 TEC驱动电路设计

目前商用的TEC都是利用半导体材料的帕尔贴效应生产制作的, 根据直流电流的方向不同, 会在接触表面分别吸收能量或释放能量[5].为了对DFB激光器的温度进行有效控制, 需要对流过热电制冷器(TEC)的电流方向和大小进行准确控制.热电制冷器与DFB激光器、NTC封装在一起, 利用TEC对DFB激光器进行恒温控制, 流过热电制冷器的电流方向决定恒温控制系统是进行加热处理还是致冷处理.本文从控制精度、使用便携性及功率大小等方面考虑, 选择美信公司制造的专用于热电制冷器的控制芯片MAX1968实现对DFB激光器的温度控制.

MAX1968芯片内部集成了电流限制功能电路, 通过外部电阻实现对TEC反向电流、正向电流以及TEC两端电压最大值的限制.最大反向电流和正向电流分别由MAXIP引脚和MAXIN引脚上的电压决定.

MAX1968芯片底部放置长方形金属热沉, 设计PCB电路时, 应将该芯片底部进行铺铜处理, 最好将芯片底部焊接到电路板上, 否则过高的节点温度会将芯片直接烧毁, 系统中选择长方形的“ 冰蚕” 散热器对芯片进行外置散热处理.

1.2 温度采集电路

本文提出的温度采集电路图如图2所示.数模转换器的功能是将数字电压转换成模拟电压, 它是连接模拟控制电路与数字控制电路的纽带, 本系统采用亚德诺半导体公司生产的16位低功耗DAC转换芯片AD5541, 它选择三线串行控制方式, 通过DSP芯片的SPI结构与主控制器相连接.电阻R1R2R3与负温度系数热敏电阻构成桥路, 该电阻桥式结构与专用仪表放大器(AD620)共同构成温度测量电路.

图2中RRTD为具有负温度系数的热敏电阻.为了达到较高的检测精度, 桥式电路中电阻R1R2R3选择具有相同温度漂移系数的精密电阻来减小外部温度变化对模拟电路控制精度的影响.AD620的输出电压与NTC电阻的关系表达式为

Usig= 1+49.4RGRRTDUREFRRTD+R3-R2UREFR1+R2(1)

式中:RG=25kΩ ; R1=R2=10kΩ ; R3=5.1kΩ ; UREF=5V.温度输出电压Usig近似表达为

Usig≈ 3 RRTDRRTD+5.1-0.5UREF (2)

图2 温度采集电路Fig.2 Temperature acquisition circuit

仪表放大器内部集成3个运算放大器, 桥式电路的每一路输出都接入运算放大器的正输入端.运算放大器正输入端的输入阻抗近似无穷大, 它能最大限度低降后端电路对热敏电阻变化的影响.此外, AD620具有较低的电压噪声密度, 较低的温漂系数, 外围电路也比较简单, 仅需要单个外接电阻就能完成电路放大倍数的调整以及极高共模电压的抑制.

选择温度范围在10~50℃之间, 采用origin软件绘制的电阻温度关系曲线如图3所示, 其曲线表达式为R=1.40927+31.8986e-θ /19.05687.

图3 热敏电阻阻值和激光器工作温度的关系曲线Fig.3 Relation curve between thermistor value and laser working temperature

根据电阻与温度关系式可知, 当激光二极管工作在10℃时, RRTD=20.31kΩ , Usig=4.489V; 当激光二极管工作在40℃时, RRTD=5.298kΩ , Usig=0.1428V, 能够满足温度控制系统的控制要求.选择AD8276作为减法器, 该芯片内部采用激光刻蚀技术集成4个温度特性匹配的电阻, 因此, 不需要外围电路即能实现减法器的功能.

1.3 模拟PID控制电路

本系统使用比例放大-积分-微分控制电路[6, 7, 8], 通过电阻阻值的选取, 设定比例放大电路的最大输出电压在± 0.8V左右, 完成对比例放大信号的“ 钳位” 功能.二极管选择NXP公司生产的BAT721S锗二极管, 它内置结构为两只背靠背连接的二极管, 其前向导通电压近似为0.39V.根据二极管电流电压关系可知, 流过二极管的电流与电压为指数关系, 二极管PN结电压极微弱的变化也会导致二极管的导通电流剧烈变化.当流过二极管的电流远超过运算放大器的输入偏置电流时, 急剧的电流变化会直接烧毁运算放大器的输入端电路, 影响芯片的放大功能.因此, 接入串联电阻用于限制经过二极管支路的激增电流, 并将积分电路的输出控制电压限制在± 0.4V之间.

PID控制电路的结构及控制参数必须由现场调试结果来决定.传统PID理论的参数整定方法有很多, 本文选择常用的临界比例法对电路系统的参数完成整定工作.临界比例法的参数整定过程如下:

1) 选择激光二极管的工作温度为10℃;

2) 去除积分电路和微分电路, 仅使用比例放大电路进行系统控制, 调节比例放大系数, 直到示波器显示的误差信号出现反复震荡;

3) 加入积分控制电路, 调节电路积分系数, 直到系统的稳态误差信号达到最小值;

4) 加入微分控制电路, 进一步降低系统误差;

5) 选择激光二极管的工作温度为50℃, 重复上述过程, 最后比例放大系数取两者的最大值, 微分系数和积分系数取二者的平均值.

2 激光器温度测试实验

为了降低控制系统软件设计的复杂性, 提高DFB激光器输出波长的稳定性以及温度控制的精确度, 本文对自主设计的温度控制系统性能进行了测试.测试由两部分组成:

1) 从电路角度出发, 测试DFB激光器温度控制系统的响应时间及稳定精度.

2) 对DFB激光器的输出光谱进行测量, 观测温度控制系统对DFB激光器输出光谱的影响; 对中心波长在1563nm附近的DFB激光器进行电路测试实验.

2.1 稳定性控制实验

实验中通过主控制器TMS320LF28335将激光器的工作温度设定为20℃(实验室环境温度约为25℃).在零时刻温度控制系统开始工作, 实验测量得到的DFB激光器温度随时间变化曲线如图4所示.

图4 温度控制器稳定性Fig.4 Stability of temperature controller

由实验数据可知, DFB激光器的最终工作温度达到了系统所设定的温度值.经过长时间观测, DFB激光器的温度变化范围在-0.05~0.05℃之间.观测温度控制器的响应时间可知, DFB激光器开始温度控制到实际温度达到设定值的时间大概为1min.通过70min的观测, 激光器的温度进入设定值后, 没有出现较大的跳变点, 因此, 该温度控制器具有高的稳定性.

2.2 激光器输出光谱测试

选择上述温度控制器对DFB激光器进行温度控制, 采用傅里叶红外光谱仪(分辨度为0.125cm-1)测量分布反馈式激光器的发射光谱.设定激光器的注入电流为40mA, 恒温控制器控制DFB激光器分别工作在39~43℃下, 此时分别测量DFB激光器输出的光谱, 测试结果如图5所示.

图5 激光器激射光谱图(电流40mA)Fig.5 Laser emitting spectrum with current of 40mA

由图5可知, DFB激光器的输出峰值波长随着工作温度的增加而增大.设定激光器的工作电流分别为50、60和70mA, 重复上述步骤, 利用傅里叶红外光谱仪对激光器输出的光谱进行测量, 测量结果如图6~8所示.

图6 激光器激射光谱图(电流50mA)Fig.6 Laser emitting spectrum with current of 50mA

图7 激光器激射光谱图(电流60mA)Fig.7 Laser emitting spectrum with current of 60mA

图8 激光器激射光谱图(电流70mA)Fig.8 Laser emitting spectrum with current of 70mA

通过对上述实验数据进行处理, 得到DFB激光器激射波长-注入电流-工作温度三者关系图如图9所示.由图9可以得到DFB激光器温度调谐系数, 其变化范围为0.08~0.09nm/℃.

图9 激光器激射波长与工作温度及注入电流的关系Fig.9 Relation between laser emitting wavelength, working temperature and injection current

3 结 论

本文设计了基于PID理论的DFB激光器温控系统, 温度控制范围在10~50℃之间, 稳定度为± 0.05℃, 精度为0.1℃, 响应时间低于60s.

与造价昂贵的商用集成温度控制器相比, 自主设计的温度控制器不仅具有较小的体积, 同时也具有较低的成本, 能够非常方便地集成到各种半导体激光器的控制系统中, 具有潜在的应用价值.

The authors have declared that no competing interests exist.

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