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基于C8051F020为核心的数字式半导体激光器电源的设计+(2)

基于C8051F020为核心的数字式半导体激光器电源的设计+(2)
来源:电子工程世界 时间:2012-05-30

处理单元
选用Silicon公司的C8051F020为数字处理单元。在扫描按键功能实现中使用了CH451,芯片内置去抖功能和键盘中断功能,可以节省单片机的内部运行时间,确保按键读取的准确性。
外围电路
为实现调制信号输出电压的独立可调,在输出端添加了两级输出运放U14A和U14B,考虑到带宽要求所以放大器选用Maxim公司的高速运放MAX4215。利用高速运算放大器组成减法电路,使得输出信号由原来的对称于地电位的2Vp-p变为以2.5V电压为中心的2Vp-p。当需要外接调制电路时则启动核心单元控制继电器,从而达到内置调制电路和外接调制源之间的转换。(拓展阅读: 电子元器件采购网 )
软件设计
软件采用C51编写程序,包括主程序和中断响应程序部分。
主程序主要是实现软启动、慢关机和控制发火。在系统启动时,初始化系统后进入人机对话界面,扫描是否有按键按下,若有则调用按键处理程序,操作者可通过键盘设定输出电流输出电压基准值,同时显示,以便确认。开始工作,通过缓慢增加电压的方式来实现系统的软启动,保护LD。正常工作时,硬件电路中采样电流信号,从数模转换电路出来的信号经过采样电阻,得到相应的电压信号,传给单片机,送出显示。若出现电流波动情况则进行PID控制,其中采用了中值与均值复合滤波方法处理。系统对D/A输出信号调整,进而调整输出电流。主程序中的循环部分不断探测LD的工作电流、工作温度和发射功率,并显示出来以便查看。如果出现故障,中断信号送入单片机端口(分别相应过压、过流、突然断电情况),系统分别调用中断程序实现对系统的快速保护。主要控制功能均利用中断实现,保证系统响应的实时性。后当操作者按下按键关闭设备时,系统调用慢关闭程序,安全地停止工作。

数字滤波
对系统干扰作用的冲击信号往往具有较宽频谱,且具有随机性。对此,系统采用了软件方法对采样信号进行了数字平滑滤波,通过对信号进行处理,减少干扰对有用成分的作用。常见数字滤波的方法有中值滤波、均值滤波等[6]。将中值滤波与均值滤波方法结合,构造一种复合滤波方法,具体做法是:首先对样本信号排序,去掉其中的值和小值,再对余下数据组成的序列计算均值作为滤波结果,这样既可滤除冲击干扰又保留了有用信号成分。
保护设置
软启动和慢关机:系统的启动或关闭均由启动/停机键控制,如果判断为开机,则命令LD驱动芯片预热工作,再逐渐增大工作电流至设定值,实现软启动。如果判断为关闭,则逐渐降低工作电流直到零,实现慢关机。
电流过载保护:程序设定或通过键盘确定电流值上限值,CPU通过控制数字电位器调节激光驱动芯片PIN21的电压并检测电流,保证流经LD的电流的稳定,防止出现过流而损坏LD。实时比较电流设定值和采样值,当实际值大于上限时,系统启动限流保护动作。

测试结果
根据设计制作了数字式电源,连接现有的实验室用的半导体激光器,进行性能测试。

开机后激光器预热半小时,通过软件设定方式调节激光器的工作电流至1.5A,激光器启动系统运行,工作电流平稳上升达到1.5A,动态响应时间在1.5~2s之间。系统输出电流为1.5A,连续工作4小时,每间隔10分钟记录1次电流,按照时间排列测试次序和相应的电流值。测试结果数据描绘曲线见图3。结果表明系统的控制电流稳定,误差小。测试结束后关闭激光器,系统逐步减小输出电压信号,降低输出功率至零后激光器停止工作。结果表明,采用数字控制方案的电源达到激光器的稳态精度要求。(拓展阅读: IC现货交易网 )
结语
所设计的数字式半导体激光器电源,采用集成电路C8051F020为核心,编程实现数字滤波及防浪涌等智能功能。电路采用了恒流源驱动芯片HY6340和高速集成运放MAX4215,简化了电路,提高了控制精度。对半导体激光器电源进行实用测试,结果表明,输出电流0~1.5A,工作电流稳定,电源还可实现软启动慢关机、防浪涌功能。经测试,数字式电源达到激光电源的稳态精度要求,改善系统的动态性能,同时简化了硬件电路。

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