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脉冲激光器驱动电路的设计与应用介绍脉冲激光器是一种能够产生高峰值功率、短脉冲宽度的激光器。
它在许多领域中都有广泛的应用，包括激光加工、医学治疗、通信等。
脉冲激光器的驱动电路起着至关重要的作用，它能够确保激光器的稳定工作并产生所需的脉冲参数。
本文将详细介绍脉冲激光器驱动电路的设计原理和应用。
设计原理脉冲激光器的工作原理脉冲激光器通常由激光介质、泵浦源和驱动电路组成。
激光介质通过泵浦源的能量输入，产生激发态粒子的反转分布。
当反转分布达到一定程度时，通过光学谐振腔的反射作用，可以实现激光的正反馈放大，从而产生激光脉冲。
驱动电路的作用驱动电路的作用是提供适当的电流或电压信号，使激光介质能够产生所需的激发态粒子反转分布，从而产生脉冲激光。
驱动电路需要满足以下几个要求： 1. 提供稳定的电流或电压信号，确保激光器的稳定工作。
2. 控制激光器的脉冲宽度和重复频率，以满足不同应用需求。
3. 提供保护功能，避免激光器因过电流或过压而损坏。
驱动电路的设计电源设计脉冲激光器通常需要较高的电源电压和电流。
为了确保电源的稳定性和可靠性，可以采用稳压稳流电源或者直流稳压电源。
稳压稳流电源能够根据激光器的工作状态自动调整输出电流和电压，保持恒定。
直流稳压电源则需要通过电压和电流调节器手动调整输出参数。
控制电路设计控制电路主要用于控制激光器的脉冲宽度和重复频率。
其中，脉冲宽度由激光介质的特性和谐振腔的参数决定，可以通过调节激光介质的泵浦源和谐振腔的参数来实现。
重复频率则由驱动电路的时序控制器控制，可以通过改变时序控制器的频率来调节。
保护电路设计保护电路用于保护激光器免受过电流、过压等损坏。
常见的保护电路包括过流保护电路、过压保护电路和过温保护电路。
过流保护电路可以监测激光器的电流，当电流超过设定值时，及时切断电源以避免激光器损坏。
过压保护电路则可以监测激光器的电压，当电压超过设定值时，自动切断电源。
应用脉冲激光器驱动电路在许多领域中都有广泛的应用。
半导体激光器LD恒流源调制电路的设计
与实验
概述
半导体激光器（LD）是一种重要的光电器件，广泛应用于通信、医疗和雷达等领域。
恒流源调制电路在LD的驱动中起到关键
作用。
本文将探讨半导体激光器LD恒流源调制电路的设计与实验。
设计原理
半导体激光器的工作需要稳定的电流源来实现恒定的激发电流。
恒流源调制电路通过控制输入信号和反馈电路的结构来实现恒流输出。
常见的调制电路设计方法包括共射极电路、共基极电路和共集
极电路。
实验步骤
1. 确定实验所需元器件，包括半导体激光器、恒流源电路、反
馈电路、电源等。
2. 根据实验需求选择合适的调制电路设计方法，如共射极电路。
3. 根据调制电路设计方法，搭建实验电路。
4. 进行实验前的参数调整和校准，确保实验的准确性和稳定性。
5. 施加输入信号并观察输出结果，记录实验数据。
6. 对实验数据进行分析和处理，评估恒流源调制电路的性能。
7. 针对实验结果进行必要的改进和优化，提高恒流源调制电路
的稳定性和效果。
结论
本文探讨了半导体激光器LD恒流源调制电路的设计与实验步骤。
恒流源调制电路的设计对于半导体激光器的驱动具有重要意义，能够实现稳定恒流输出。
根据实验结果，可以进行进一步的改进和
优化，提高调制电路的性能和稳定性。
参考文献：
注：以上内容仅供参考，请根据实际需求进行修改和完善。
摘要本文用8031单片机实现电阻炉温度的控制，重点介绍接口电路的设计。
电阻炉是一类使用非常广泛的工业设备，利用单片机实现温度的实时控制，对提高劳动生产率和产品质量，节约能源都有着积极意义。
本控制系统是对水加热的控制过程，工作时水的温度由数字温度计和精密放大器放大至0~5v电压信号，由ADC0809转换成单片机所能接受的数字信号，此信号与温度的给定值比较得到温度偏差，通过PID 控制算法运算得到控制量，此控制量通过对可控硅触发角的控制，来调节加在电阻炉上的电压的通断时间以达到控温的目的。
系统的给定值等参数可由键盘输入，并可以随时修改，给定温度和PID的参数可显示在LED上。
关键词：单片机；电阻炉；控制; 接口电路目录第一章概述 (3)1.1 题目来源及意义 (3)1.2 电阻炉温度控制系统的结构工作原理 (3)第二章电阻炉温度控制系统的硬件设计 (6)2.1硬件电路设计原则 (6)2.2单片机的选择 (6)2.2.1 8031芯片介绍 (7)2.2.2 8031的引脚介绍 (7)2.3 单片机程序存储器的扩展 (9)2.3.1 地址译码器的选择 (9)2.3.2 程序存储器的设计 (9)2.4 温度检测接口电路设计 (10)2.4.1 数字温度计的选择 (10)2.4.2 AD转换器的接口电路设计 (12)2.5键盘、显示器接口电路 (15)2.5.1 显示器接口电路 (15)2.5.2 键盘接口电路 (17)2.6报警接口电路 (18)2.7 电阻炉温度控制执行机构的设计 (19)第三章温度控制算法 (21)3.1 温度控制算法 (21)3.2 采样周期T的确定 (24)第四章软件设计 (25)4.1接口软件设计 (25)4.2 PID程序设计 (26)第五章结论 (33)第一章概述1.1 题目来源及意义热处理设备是实现热处理工艺的基础和保证，直接关系到热处理技术水平的高低和工件质量的好坏。
对热处理技术的基本要求是：先进、可靠、经济、安全，能满足热处理工艺的要求，并保证工艺的稳定和再现性，节省能源，保护环境，改善劳动环境，降低生产成本，提高机械化和自动化水平。
基于高精度ADC的温度检测电路设计摘要：供热运行是关系民生的重要事宜。
温度是供热运行的关键控制指标。
热量表作为供热管网运行的仪表，可以检测供热管网中的热量、流量、供水温度、回水温度等关键运行参数，其温度测量的准确性既关系到对换热站运行调控精准度又关系到整体能耗控制。
关键字：集中供热、供热调控、热量表、温度检测电路、铂电阻、热量表的温度测量原理是：通过对插入管道内供/回水铂电阻进行AD采样测量其阻值，再通过查表法或根据公式计算获得实际管道内温度。
在现场应用中，受现场管道走向与位置关系影响，供/回水铂电阻必然通过一定长度导线与热量表测量电路相连，在实际应用中导线电阻不能忽略，因此热量表电路测得的阻值是铂电阻阻值与导线阻值之和，这导致热量表测得温度与管道内真实温度存在偏差，供回水铂电阻导线长度越长，因此导致的偏差越大。
在实际应用中，为了达到精准调控需求，需要偏差越小越好。
若要减小测量偏差，需从三方面入手：其一，提高电路测量精度，保证测得阻值的准确性；其二，降低所选电子器件的温漂，消除环境温度波动对电路测量结果影响，其三，去除导线阻值的影响。
下图是采用24位精密ADC设计的四线制温度检测电路。
一、电路器件选型：1.温度测量芯片U115采用TI的ADS1220该芯片是24位高精度Δ-Σ ADC，其特性如下：a集成多种特性，可优化系统测量系统搭建，减少测量电路的组件数量。
b能够以高达2000次/秒（SPS）采样速度执行转换，并且能够在单周期内稳定。
c 针对噪声环境中的工业应用，当采样频率为20SPS时，数字滤波器可同时提供50Hz和60Hz抑制d低电流占空比模式下典型值低至120μAe宽电源电压范围：2.3V-5.5Vf高达20位有效分辨率g集成2.048V基准电压：漂移5ppm/℃（典型值）h集成2%精准振荡器2.基准电阻R161采用精度0.1%，温漂5ppm/℃的高精度1kΩ贴片电阻二、电路及程序设计电路设计上采用四线制接法，对于供水铂电阻即Lin1、Lin2、Lin3、Lin4，对于回水铂电阻即Lout1、Lout2、Lout3、Lout4。
0 引言对于脉冲信号，频率高达上百兆赫兹，脉冲沿较陡，一般的采样芯片无法直接对其进行采样处理，而采用高采样率芯片直接对脉冲信号进行采集则成本较高。
因此，目前工业上常用的处理方法是对脉冲信号进行检波降频处理。
1 常用方法论证及比较1.1 二极管分立元件检波二极管分立元件检波方法主要由二极管，电容器，电阻构成。
其特点为设计简单，成本低，线性度差，温度稳定性低。
1.2 对数放大器检波对数放大器检波方法主要由对数放大器和二极管组成。
采用级联放大器输出端加二极管整流电路，将脉冲信号或者其它交流信号转换为直流电压。
其特点为元器件多，对高频信号效果差，线性度和温度稳定性较二极管分立元件检波稍好。
1.3 专用检波芯片检波目前检波芯片主要分为功率检波和对数检波两种。
芯片内部分为检波和放大两部分，输入信号检波以后进行一定倍数的放大后再输出。
检波芯片检波特点是响应快速,灵敏度高，线性度和温度稳定性好，外围器件少,设计简单。
其输出量为直流电压，但对于高频的脉冲信号，其输出的电压信号仍有微秒级的尖脉冲，一般采样芯片仍无法准确捕捉。
2 本方案设计2.1 整体设计方案本方案中采用了ADI 公司的AD8310专用对数检波芯片后级加改良后的放大器峰值检波电路。
AD8310检波芯片将脉冲信号转换为直流电压信号，其中含有一定量的直流脉冲分量，后级放大峰值检波电路将该直流脉冲分量继续降频，将峰值保持住，以便于单片机采样。
2.2 AD8310芯片特性AD8310是一款高速电压输出、解调频率范围为DC ～440MHz 的对数放大检波器，其内部有六个串联的放大器／限幅器，且在带宽900MHz （-3dB）时，每个放大器／限幅器的小信号增益均为14.3dB。
该芯片共使用了9个检波器，检波范围从-91dBV （40μV）～+4dBV （2.2V），其中我们定义0dB 为真有效值为1V 的正弦波。
AD8310的解调输出可精确标定，其对数斜率为24mV/dB，误差为±1dB。
基于STM32半导体制冷片温控系统的设计【摘要】激光器的工作温度至关重要，该设计用于激光器工作温度调节模块，以提高激光器的稳定性能。
本文以STM32F303为控制芯片，采用TEC为制冷元件，通过采集温度并模数转换传给上位机，上位机程序控制STM32的数模输出控制TEC的加热或制冷，同时以PID算法为基础构建了一套半导体温度调节系统。
实验结果表明，通过PID算法调节，半导体制冷温度控制系统能够为激光器提供所需的工作温度，精度可达到±0.1℃。
【关键词】温度控制;STM32;A/D D/A;PID算法;LabVIEW1.前言温控系统受环境温度影响较大，因为温度调节过程中惯性大，对于温度上升或下降的有效快速调节是难题，目前我们熟知的温控系统都存在成本高或精度低及灵活性差的缺点。
针对这些问题本系统在工作过程中可以随时切换极性，从而完成对设定温度值的精确控制。
2.硬件系统设计本设计通过HX-RS-HSW1204C高精度微型温度变送器连接pt100将采集到的温度传给STM32单片机，STM32将采集到的温度值模数转换后传给上位机显示，并将采集温度值记为sp，将当前温度值sp减去设定值ap后给PID控制器，STM32根据PID的输出信号m（t）进行数模转换并输出给TTC-DS驱动模块，TTC-DS驱动模块控制TEC工作.2.1 测量部分：采用Pt100和HX-RS-HSW1204C高精度微型温度变送器，输出信号是电压信号，其工作电压是±24V，输出是0-5V，对应的温度范围是-40-100℃，温度与电压呈线性关系，，其采集精度可达到0.05℃。
pt100是一种稳定性高和性能良好的温度传感器，工作范围-200℃至650℃。
pt100是电阻式温度检测器，具有正电阻系数，其电阻和温度变化的关系如下：，其中=0.00392，为100（在0℃的电阻值），为摄氏温度[1]。
传感器型变送器通常包含信号转换器与传感器两部分。
ld驱动电路设计
在LD（激光二极管）驱动电路设计中，通常需要满足以下要求：
1.提供稳定的电流：LD需要稳定的电流才能正常工作，因此驱动电路应具备恒流源的特性，能够提供稳定的电流。
2.快速响应：LD通常需要快速启停，因此驱动电路应具有快速响应能力，以满足LD的启停要求。
3.电压控制：为了调整LD的功率和调制其输出光束，驱动电路应具有电压控制功能。
通过调整驱动电压，可以改变通过LD的电流，从而控制其输出光束的功率和调制。
4.温度控制：LD的工作性能受温度影响较大，因此驱动电路应具有温度控制功能。
通过监测LD的温度，驱动电路可以调节其输出电流或电压，以保持LD的工作温度稳定。
5.保护功能：为了防止LD过热或过流而损坏，驱动电路应具备保护功能。
当检测到LD的工作状态异常时，驱动电路应能够自动减小电流或关闭电路，以保护LD免受损坏。
总之，一个合格的LD驱动电路设计应该考虑以上几个方面，以满足LD的工作要求和确保其可靠、稳定的工作状态。
如需更多信息，建议咨询电子工程专家或查阅电子工程相关书籍。
激光器驱动电路设计与应用激光器是一种利用受激辐射原理产生激光光束的装置。
它在现代科技领域有着广泛的应用，包括激光切割、激光打标、激光雷达等。
而激光器能够工作正常，离不开一个稳定可靠的驱动电路。
本文将探讨激光器驱动电路的设计原理与应用。
一、激光器驱动电路的基本原理激光器驱动电路主要包括激光二极管供电与电流控制两部分。
供电部分需要提供适当的电压和电流给激光二极管，而电流控制部分则需要保证激光二极管受到稳定的电流驱动。
在激光器的工作中，这两个部分必须配合协调，以确保激光器能够正常工作并产生所需的激光输出。
二、激光二极管供电设计在激光二极管供电设计中，需要考虑激光二极管的工作电压和电流需求。
一般情况下，我们可以使用直流电源来为激光二极管供电。
首先，根据激光二极管的额定工作电流和电压，选择合适的电源电压和额定电流。
其次，使用电源调节电路来保证供电的稳定性和精确性。
最后，通过合适的连接线路，将电源与激光二极管连接，以确保供电的可靠性和安全性。
三、激光二极管电流控制设计激光二极管电流控制设计是激光器驱动电路中非常重要的一部分。
在激光二极管的工作中，电流的稳定性对于激光输出的功率和频率具有直接影响。
因此，在设计电流控制环路时，需要考虑到以下几个方面。
1.电流控制模式的选择常见的电流控制模式有恒压模式和恒流模式。
恒压模式下，电路会根据激光二极管的电流需求来调整电压，保证其工作在恒定电流下；恒流模式下，则是通过电路控制来保持电流的恒定。
在实际应用中，应根据具体的需求选择合适的模式进行设计。
2.反馈控制环路的设计为了确保激光二极管电流的稳定，需要设计一个反馈控制环路。
这一环路通常包括一个比较器、一个误差放大电路和一个电流调整电路。
比较器用于比较实际电流与设定电流之间的差异，误差放大电路用于放大差异信号，而电流调整电路则用于根据差异信号调整输出电流。
3.稳定性和去抖动设计在电流控制环路的设计中，还需要考虑到稳定性和去抖动。
Page 1/2激光器温控驱动模块 封装类型： 尺寸: L150 x W120 x H25 mm 架构: 金属外封 冷却: 外壳散热 电接口: 标准DC 5V插座 实物图： 如右边
该激光器温控驱动模块内置智能微处理器，驱动采用双向恒温方式进行工作，TEC驱动电流自动跟踪温度变化，达到实时控温效果。温控处理方式采用智能PID方式，中心温度默认可设置范围为5.0-45.0℃，也可根据使用要求进行定制。（深圳飞博源光电）在此设计中采用RS232接口用PC来控制激光器温度的读取和实时控制。
特点：
● 中心温度可调节
● 制冷加热双向控温 ● 电流自适应负载温度变化 ● 反应速度快 ● 根据不同负载状况可设置PID参数 ● 温控稳定度优于+/-0.1℃ ● RS232接口,远程控制 性能指标: 参数 典型值 单位 输入电压 DC24 V 输出电压 0~24 V 输出电流 0~10 A 最大制冷能力 1~120 W 中心温度设定范围 5-45 ℃ 热敏电阻 NTC 10K/25℃ 温度控制精度 +/-0.1 ℃ 远程控制 RS232 ----- Page 2/2其他封装形式： 裸板封装： 尺寸: L100 x W100 x H60 mm 架构: 金属外封 冷却: 散热片 电接口: 标准DC 5V插座 实物图： 如右边
台式结构： (mm) 尺寸: L260 x W260 x H90 mm 架构: 金属外封 电接口: 标准AC 220V插座
基于遗传算法的半导体激光器温度控制系统杨芳权;江渝川【摘要】针对半导体激光器工作温度随时间变化存在漂移和不稳定的问题,提出了基于遗传算法的半导体激光器温度控制系统.将单片机、铂电阻和TEC半导体制冷器分别作为系统的处理器、温度敏感器和温控执行器,通过遗传算法模型来分析被控对象的物理特性,利用遗传算法的快速搜索能力来训练温度控制的权系数,并对设计的系统进行实验验证.结果表明,该系统的温度控制精度为±0.002℃,控制范围为5～70℃,超调量低于8％,能够实现高精度和宽范围的控制效果,具有较好的工程应用价值.【期刊名称】《沈阳工业大学学报》【年(卷),期】2019(041)004【总页数】6页(P445-450)【关键词】半导体激光器;铂电阻;单片机;自适应;温度控制单元;半导体制冷器;温度采集单元;遗传算法【作者】杨芳权;江渝川【作者单位】重庆人文科技学院计算机工程学院,重庆401524;重庆人文科技学院计算机工程学院,重庆401524【正文语种】中文【中图分类】TN215半导体激光器的工作温度变化会影响激光器内部材料的折射率，进而使其输出波长随温度变化发生漂移[1].当半导体激光器结温度增加时，激光器的输出波长亦随之变大，产生波长的红移[2]，激光器的输出光功率随着环境温度的增加而降低，过高的温度使得激光器输出功率以指数形式下降[3-4].此外，半导体激光器工作温度升高会产生热机械应力，破坏了整体结构的紧凑性，加速焊料变质，使得器件的材料性质发生变化，严重缩短其工作寿命.根据上述种种原因，在气体检测应用中，为了实现气体检测的高精度，延长半导体激光器使用寿命，对其进行恒定温度控制势在必行.近些年，国内外很多科研机构和生产厂商均研制了用于专业用途的半导体激光器温度控制系统，在温度控制范围和控制精度方面做了很多贡献.国外生产厂商，如ILX Lightwave，Thorlabs和Newport等的产品一般能够在-50 ℃至+100 ℃的环境下正常工作，且控制精度不低于0.001 ℃.国内方面，以吉林大学、温州上通仪表公司为代表研制的产品一般只能在常温下工作，控制精度仅为±0.1 ℃[5-6].虽然国外半导体激光器温度控制器具有优越的参数性能[7-8]，但是其体积庞大，价格昂贵，不适合便携式红外气体检测仪器的需求.国外产品的长期稳定度最优性能仅为±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，本文研制并设计了一款基于遗传算法学习的自适应半导体激光器温度控制系统，该系统将处理器从复杂的温度控制算法中释放出来，适用于各种实现性要求高的场合.1 半导体激光器温度控制系统半导体激光器温度控制系统结构框图如图1所示.图1 半导体激光器温度控制系统结构图Fig.1 Structure diagram of temperature control system for semi-conductor laser半导体激光器温度控制系统以美国TI公司生产的DSP芯片TMS320LF2812微控制器作为控制核心，负责协同调度系统各个工作单元的工作，具体如下：1)温度采集单元.负温度系数热敏电阻(NTC)作为温度感应元件，阻值随温度的变化而变化，恒定电流流过NTC产生电压变化，从而实现激光二极管LD的温度电压转换，然后将此电压信号经过16位模数转换(ADC)LTC1864送入DSP等待处理.2)温度控制单元.DSP将NTC采集到的表征当前温度的数字量与表征预置温度的数字量进行对比，进而调用内部遗传算法输出控制量，通过16位数模转换(DAC)LTC1655输出模拟量来使TEC加热或者制冷，使激光器温度改变.3)温度显示单元.DSP控制LCD1602完成两行显示，一行为预置温度，一行为当前温度.4)键盘单元.用来设置LD的温度、送加热、制冷以及启动与停止命令给DSP，矩阵键盘通过BC7281键盘接口专用控制芯片与DSP相连，仅需3个I/O口.5)温度数据存储单元.把有限多个整数温度点以数据表的形式存入8 kbit的EEPROM存储器AT24C08中，AT24C08与DSP以I2C总线连接，仅需两个I/O口.此外，为了保证温度控制与监测的准确，NTC、TEC与激光二极管(LD)、光电二极管(PD)要尽量在同一封装之内，外接热沉散热.1.1 温度控制单元设计为了对半导体激光器温度进行精确地控制，需要对流过半导体制冷器(TEC)的电流大小和方向进行精确控制.当半导体激光器温度低于工作温度时，通过TEC对激光器进行加热处理.当激光器温度高于工作温度时，通过TEC对激光器进行制冷处理.TEC称为半导体制冷器，是半导体激光器封装在一起的温控器件.市面上流通的TEC均是利用半导体材料的帕尔贴效应原理生产的，当电流正向流过热电制冷器时，其一端会吸收热量，另一端会散发热量，反之亦然.利用TEC对量子级联激光器进行恒温处理，制冷或加热的方向由流过TEC的电流方向决定，制冷或加热的速度由流过TEC的电流大小决定.目前，市场上出现多种专用的TEC控制芯片，它们都具有精度高、使用方便、功率大等优点.本系统采用美信公司生产的TEC控制芯片，型号为MAX1968，其内部集成1.5 V的稳压源，流过TEC的电流大小和方向与输入控制端口电压值一一对应.DAC模块是连接TEC控制芯片与微处理器的桥梁.微控制器计算出的数字量经过D/A变换成模拟量，该模拟量作用于TEC芯片控制端口，与MAX1968内部电路一起构成电流控制电路，实现激光器温度的恒定控制.温度控制单元组成框图如图2所示.图2 温度控制单元组成框图Fig.2 Composition block diagram of temperature control unit图2中，DAC模块的功能是将数字信号转换成模拟电压值，其是衔接TEC控制芯片与微处理器之间的桥梁.本系统选用凌力特公司生产的16位低功耗D/A转换芯片LTC1655，它采用三线串行控制方式.TEC控制模块采用MAXIM公司生产的用于TEC电流控制的专用芯片MAX1968，它对输出电流具有较高的控制精度，较大的系统功耗，使用方便，仅需少量分立元件就能完成对TEC电流方向和大小的控制.MAX1968芯片采用先进的TSSOP封装技术不仅有利于芯片的散热，具有较小的体积同时极大方便系统的微型化集成.MAX1968的输出控制电流在-3～+3 A 范围内，能够满足不同要求的TEC电流需求.MAX1968芯片内置TEC电流限制电路，通过外加分立元件可以实现对TEC两端电压以及TEC正向电流和反向电流的限制.TEC两端最大承载电压四倍于MAXV 引脚上的输入电压.最大正向电流和反向电流分别由MAXIN和MAXIP引脚上的输入电压决定.MAX1968采用增强型散热结构的TSSOP-EP封装技术，芯片封装底部内置长方形金属热沉.当芯片的输出电流较大时，应采用外置散热片来增强芯片的散热处理，过高的温度会导致芯片功能异常，本文采用RHS-03型散热器对芯片进行散热处理.1.2 温度采集单元设计核心控制器TMS320LF2812通过温度信息采集后向通路来读取TEC控制电流的大小.判断TEC是否工作在正常状态，如果发生异常，通过对MAX1968使能引脚的拉低，切断TEC工作电流，以保护半导体激光器的正常运行.图3为温度采集单元组成框图.图3 温度采集单元组成框图Fig.3 Composition block diagram of temperature acquisition unit图3中，温度信号采集电路由桥式电阻网络和仪表放大器(AD620)构成，通过微处理器读取输入电压值，计算得到半导体激光器内部的热敏电阻值，根据热敏电阻值与温度的关系式，计算出结温度.通过比较采样温度值和实际温度值的差值大小，来设置调节电流的大小及方向，使得半导体激光器的工作温度始终处在设定范围内.桥式电阻网络采用具有相近温漂性质的精密电阻来降低环境温度变化对电路精度的影响.AD620具有较低的噪声密度，较小的温度漂移系数，是常用的主用差分仪表放大器，仅需要外接单个阻值电阻即可调节电路的放大倍数.本电路中AD620的放大倍数设定为1倍，原因在于后端AD处理电路带有数字滤波和程控放大功能.电流信号采集电路如图4所示.采样电阻Rs与AD620共同构成了电流取样放大电路，输出信号和背景信号一同送入比例加法电路.当无电流流经取样电阻时，AD620输出0 V电压，输出电压VCH2为背景信号.当有电流经过取样电阻时，AD620输出电压经过信号电平的平移，信号平移的幅度为背景电压大小.经过加法电路处理，输出信号均为正电压，经过ADC模块采集，送入微处理器进行处理.图4 电流信号采集电路Fig.4 Current signal acquisition circuit2 遗传算法神经网络用非线性模型来描述被控对象[9]，其表达式为y(k)=f[y(k-1)，…，y(k-ny)，u(k-1)，…，u(k-nu)](1)式中：f(·)为非线性的函数；u(·)和y(·)分别为被控对象的输入和输出；nu和ny分别为输入和输出的阶次.样本集的构造为采集的100组{u(k)，y(k)}历史数据，利用归一化处理使得u(k)∈[0，1]且y(k)∈[0，1].对网络进行离线训练时采用BP算法，隐含层和输出层的激励函数分别为Tansig函数和Purelin函数，目标函数为(2)式中：n为样本数；ym(k)为模型输出.学习目标为Je1≤0.002 5.中间层的神经元个数为6，此时的网络结构为2-6-1.遗传算法能够快速寻优，它在高维空间中的搜索是从随机产生的起始点开始的，根据设定的适应度函数指定搜索方向.利用遗传算法来优化神经网络权系数的步骤如下：1) 选取NN的输入和输出的样本集，确定网络权系数的编码方式，随机得到初始种群，对个体位串译码，得到网络权系数，再求得对应的网络输出.由于神经网络正模型有25个权值和阈值变量，取个体为W=(w1，w2，…，wi，…，w25)，分布如图5所示.给定变量的门限值，则个体的表现为W=(0.095，0.788，0.817，1.919，-1.925，-1.567，…)(3)遗传算法使用的交叉和变异算子需要确保运算结果位于给定的范围内.因此，交叉运算在两个基因的分界处进行.图5 神经网络正模型的权值分布Fig.5 Weight distribution of positive model of neural network2) 选定目标函数，得到网络适应度，对网络进行评价.将染色体上的权值和阈值分配到前述2-6-1神经网络中，由训练集样本{u(k)，y(k)}和{y(k+1)}分别作为输入和期望输出，取评价函数为误差平方和的倒数，即f1=1/Je1.3) 根据适应度和交叉变异算法来进行选择操作，得到新种群，再返回步骤1)，直到性能满足要求，得到优化的系数.使用标准化的几何排序方法来进行选择，其表达式为(4)式中，q、r和z分别为选择概率、个体序列号和种群大小.交叉算法使用数学交叉和启发式交叉两种方式，这种组合方式可以提高算法的探测能力.首先，由数学交叉得到的两个新个体分别为X′1=aX1+(1-a)X2(5)X′2=(1-a)X1+aX2(6)式中，a∈(0，1)为随机数.启发式交叉的表达式为(7)式中，c∈(0，1)为随机数.如果得到的和均不在解空间，那么由新产生的随机数来重新进行交叉运算.变异算法由多元非均匀变异方法得到新种群，其原理为(8)式中：r1，r2∈[0，1]；ai和bi为上下限；g为进化代数；gmax为进化代数的最大值；b为扰动参数.3 半导体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，提高半导体激光器输出波长的稳定性以及温度控制的精确性，本文对自主设计的温度控制系统性能进行测试.采用该套温度控制系统对中心波长在1 563.09 nm附近的DFB激光器做如下系统性能测试实验. 测试由四部分组成：首先，从电路角度出发，测试半导体激光器温度控制系统的稳定精度；其次，对半导体激光器温度控制系统的响应时间进行了测试；然后对所研制的半导体激光器温度控制系统的温度控制范围进行了检验；最后对所被控对象半导体激光器发光光谱进行了测试.3.1 系统稳定性性能测试实验测试过程如下：通过主控制器TMS320LF2812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，实验测量得到的半导体激光器的环境温度随时间变化曲线如图6所示.图6 稳定性性能测试结果Fig.6 Test results of stability performance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.3.2 系统响应时间性能测试半导体激光器温度控制系统的响应时间测试结果如图7所示.通过对图7的实验数据进行分析可知，激光器温度控制器开始工作到激光器的实际温度达到设定值的时间大约为1 min.激光器的温度进入设定值后，温度在该值的-0.05～+0.05 ℃范围内变换，没有出现较大的跳变点.3.3 系统温度控制范围性能测试实验室温度的初始值为20 ℃，设定期望半导体激光器温度值分别为5和70 ℃，从零时刻启动温度控制过程，得到不同目标温度控制的实验结果分别如图8、9所示.图7 响应时间测试结果Fig.7 Test results of response time图8 温度控制曲线(目标温度5 ℃)Fig.8 Temperature control curve (target temperature of 5 ℃)图9 温度控制曲线(目标温度70 ℃)Fig.9 Temperature control curve (target temperature of 70 ℃)从图8、9中可以看出，基于遗传算法的控制算法可以使半导体激光器的实际温度达到预期设定的温度值.对于低于室温的温度控制，超调量为8%，控制精度为±0.002 ℃；对于高于室温的温度控制，没有超调量，控制精度为±0.001 7 ℃.因此，本文设计的控制系统能够实现半导体激光器工作温度的精确控制，稳定度较高.3.4 激光器发光光谱测试在气体浓度检测实验中，为了保证系统的检测精度并提高系统的可靠性，需要对半导体激光器输出稳定的发光光谱，这完全由激光器的温控系统决定.利用本文自主研发的温度控制系统，对同一个半导体激光器的输出光谱连续三次进行测量，测量的时间间隔为1 h.测量结果如图10所示，其中，设定激光器的工作温度为39 ℃，工作电流为60 mA.由实验结果分析可知，测得的三条激光器输出谱线几乎完全重合，说明该激光器温控系统的稳定性良好.图10 半导体激光器发光光谱Fig.10 Emitting spectra of semi-conductor laser 4 结论本文设计的基于遗传算法学习的自适应半导体激光器温控系统，温度控制范围在5～70 ℃之间，控制精度为±0.002 ℃，超调量低于8%，响应时间低于60 s.与造价昂贵的商用集成温度控制器相比较，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，在实际中具有巨大的潜在应用价值.为了进一步提升该半导体激光器温控系统性能指标.在硬件设计方面，下一步工作可采用24位ADC和DAC转换器，提升半导体激光器温度控制精度.在软件设计方面，可采用遗传算法和模糊PID相结合的方式，进一步提升系统稳定度和响应时间的性能指标.参考文献【相关文献】[1]雷志锋，杨少华，黄云.高功率半导体激光器的可靠性与寿命评价 [J].应用光学，2008，21(1)：90-95.(LEI Zhi-feng，YANG Shao-hua，HUANG Yun.Relia-bility and lifetime assessment of high-power diode laser [J].Journal of Applied Optics，2008，21(1)：90-95.)[2]袁军国，詹春，李小国，等.半导体激光器高精度稳频输出控制系统[J].激光技术，2006，30(6)：650-652.(YUAN Jun-guo，ZHAN Chun，LI Xiao-guo，et al.Accurate controlling system for the output and frequency of laser diodes [J].Laser Technology，2006，30(6)：650-652.)[3]李江澜，石云波，赵鹏飞，等.TEC的高精度半导体激光器温控设计[J].红外与激光工程，2014，43(6)：1745-1749.(LI Jiang-lan，SHI Yun-bo，ZHAO Peng-fei，et al.High precision thermostat system with TEC for laser diode [J].Infrared and Laser Engineering，2014，43(6)：1745-1749.)[4]秦硕，巩岩，袁文全，等.大时间热响应常数投影物镜的超高精度温度控制 [J].光学精密工程，2013，21(1)：108-114.(QIN Shuo，GONG Yan，YUAN Wen-quan，et al.High precision 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采用ADN8831芯片的激光器温控电路的设计
引言
通过对半导体激光器特性的研究，可知温度对激光器的正常工作有着重要的影响。温度会
直接影响到半导体激光器的工作参数包括：阈值电流、V-I 关系、输出波长、P-I 关系等。
同时高温也会对激光器产生极大的影响，严重影响其使用寿命和效率。本文采用ADN8831
温度控制芯片为激光器提供恒定且可调的工作温度来保证激光器高效率工作。
1 温度控制芯片介绍
根据半导体激光器对温度的要求，选定ADN8831作为激光器的温度控制主芯片。ADN8831
芯片是目前最优秀的单芯片高集成度、高输出效率和高性能的TEC驱动模块之一。
ADN8831 的最大温漂电压低于250 mV,能够使设定温度误差控制在±0.01 ℃左右。在工
作过程中，ADN8831 输入端的电压值对应一个设定好的目标温度。适当大小的电流流过
TEC,使TEC加热或制冷，在这个过程中使激光器表面温度向设定温度值靠近。此芯片还
有过流保护功能，可编程开关频率最高可达1 MHz.
2 TEC控制原理
TEC（Thermo Electric Cooler）实际上是用两种材料不同半导体（P型和N型）组成PN结，
当PN结中有直流电流通过时，由于两种材料中的电子和空穴在跨越PN结移动过程中产
生吸热或放热效应（帕尔帖效应），就会使PN结表现出制冷或制热的效果，改变电流方
向即可实现TEC加热或制冷，调节电流大小即可控制加热或制冷量的输出。利用TEC稳
定激光器温度方法的系统框图如图1所示。
图1中贴着激光器右侧的是温度传感器，这里使用具有负温度系数的热敏电阻。这个热敏
电阻是用来测量安放在TEC表面上的激光器的温度。期望的激光器温度用一个固定的电
压值来表示，与热敏电阻产生的电压值通过高精度运算放大器进行比较，比较后产生的误
差电压通过高增益的放大器放大，同时补偿网络对因为激光器的冷热端引起的相位延迟进
行补偿，补偿后驱动H桥输出，H桥不仅控制TEC电流的大小还能控制TEC电流的方向。
