基于MSP430單片機(jī)的穩(wěn)功率半導(dǎo)體激光器的設(shè)計(jì)

1、全日制本科生學(xué)年論文 題 目： 基于MSP單片機(jī)的穩(wěn)功率半導(dǎo)體激光器的設(shè)計(jì)學(xué) 院： 物理與電子工程專業(yè)年級(jí)： 2011級(jí)電子信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： 指導(dǎo)教師： 職稱： 2014年 5 月 22 日 基于MSP43單片機(jī)的穩(wěn)功率半導(dǎo)體激光器的設(shè)計(jì)物理與電子工程學(xué)院 電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè) 2011級(jí) 冉佳弘指導(dǎo)教師 范嗣強(qiáng)摘要: 使用16位低功耗的單片機(jī) MSP 430 F169 對(duì)半導(dǎo)體激光器進(jìn)行控制, 采用APC的控制方式,通過功率的采樣值與設(shè)定值的比較來控制驅(qū)動(dòng)電流的大小,最后形成一個(gè)閉環(huán)的負(fù)反饋回路。為保護(hù)該半導(dǎo)體激光器而實(shí)施了慢啟動(dòng)、慢關(guān)閉以及限壓和限流等保護(hù)措施。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定

2、,該系統(tǒng)的功率穩(wěn)定度為 0.5% -0.7% 。關(guān)鍵詞:半導(dǎo)體激光器; 自動(dòng)功率控制; MSP 430 F169Abstract: With 16 bit and low power MSP 430F 169 microprocessor,a semiconductor is controlled in APC mode. The sampled power is compared with the given value to adjust the driving current and anegative feedback loop control system for semicondu

3、ctor laser is formed. To protect the semiconductorlaser , slowstart , slowend ,current and voltag elimitation are designed. The results show that the power stability of the system is 0.5 % 0.7% .Key words: semiconductor laser ; APC; MSP430F169.引 言半導(dǎo)體激光器( L D) 具有體積小、重量輕、價(jià)格低、驅(qū)動(dòng)電源簡單且不需要高電壓( 2.5 V)等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)

4、,目前廣泛應(yīng)用于光纖通訊、集成光學(xué)、激光印刷、 激光束掃描等技術(shù)領(lǐng)域。然而, 由于目前的半導(dǎo)體激光器在設(shè)計(jì)、材料、工藝等方面的原因,在實(shí)際使用過程中器件很容易損壞,降低了設(shè)備運(yùn)行的可靠性,影響其進(jìn)一步的推廣應(yīng)用, 因此,對(duì)半導(dǎo)體激光器保護(hù)的研究具有廣泛的應(yīng)用值。1 半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作特性半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。 圖1 半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)圖中激光二極管( LD )是正向接法,光電二極管( PD )是反向接法。當(dāng)向 LD 中注入一定的電流時(shí), LD 就會(huì)發(fā)出激光, PD受光后轉(zhuǎn)換出的光電流,若給PD 串聯(lián)一電阻，其電壓值就反映出LD 光功率的大小。半導(dǎo)體激光器的發(fā)光功率與通過的

5、電流關(guān)系如圖 2 所示。 圖2 輸出功率與驅(qū)動(dòng)電流的關(guān)系從圖中可以看出,在某一溫度下,當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流低于閾值電流時(shí),激光器輸出光功率P近似為零,半導(dǎo)體激光器只能發(fā)出熒光;當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流高于閾值時(shí)輸出激光,并且光輸出功率隨著驅(qū)動(dòng)電流的增大而迅速增加,并近似呈線性上升關(guān)系。因此,對(duì)LD的驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行控制,可達(dá)到穩(wěn)定發(fā)光功率的目的。2 半導(dǎo)體激光器使用時(shí)失效的原因及分析在正常條件使用下的半導(dǎo)體激光器有很長的工作壽命。然而,半導(dǎo)體激光器也是很容易被損壞的,即在不適當(dāng)?shù)墓ぷ鳁l件下,會(huì)造成性能的急劇下降乃至失效。半導(dǎo)體激光器的突然失效可由PN 結(jié)被擊穿或用作諧振腔面的解理面遭受破壞而造成,視其擊穿或破壞程度而表現(xiàn)

6、為輸出功率減小或無輸出。統(tǒng)計(jì)表明,半導(dǎo)體激光器突然失效,有一半以上的幾率是由于浪涌擊穿。所謂浪涌,是一種突發(fā)性瞬態(tài)電壓或電流脈沖,它的脈沖寬度甚至可以短到納秒數(shù)量級(jí),瞬時(shí)幅值可達(dá)到幾萬伏或幾百安培。半導(dǎo)體激光器的核心是PN 結(jié),如果它承受的反向電壓超出其允許值,將會(huì)使PN結(jié)擊穿,在瞬態(tài)電壓下的正向過電流所產(chǎn)生的光功率可以使解理面損傷;如果承受的正向電流超出了它的允許最大電流值,重則立即燒毀,輕則性能受到影響,發(fā)光暗淡,無法正常使用。3 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)半導(dǎo)體激光器在某些高精度測(cè)量應(yīng)用中,對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的穩(wěn)定度和調(diào)制精度要求很高,因此,一般調(diào)制信號(hào)主要由單片機(jī)控制高精度的數(shù)模轉(zhuǎn)換器件來產(chǎn)生。如果選用分

7、立器件,不僅成本高、電路較為復(fù)雜,電路穩(wěn)定性較差,更重要的是電路體積不能做得很小,不能體現(xiàn)半導(dǎo)體激光器體積小的特點(diǎn),而且還可能對(duì)半導(dǎo)體激光器造成威脅。所以,整個(gè)系統(tǒng)采用的微處理器為超低功耗的16位單片機(jī)MSP430系列系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。 圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖可以看出,本設(shè)計(jì)拋棄了傳統(tǒng)的從半導(dǎo)體激光器輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行放大調(diào)制,在51系列單片機(jī)的外部連接 A / D 轉(zhuǎn)換器和D/ A 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)模之間的轉(zhuǎn)換,而是直接利用MSP430 單片機(jī)中內(nèi)部提供的數(shù)模和數(shù)模轉(zhuǎn)換功能;同時(shí),MSP430允許程序訪問內(nèi)部FLASH,可以隨時(shí)改寫內(nèi)部數(shù)據(jù),這樣使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大大簡化,成本下降,進(jìn)一步

8、降低了系統(tǒng)功耗,節(jié)省了I / O口,而且具有測(cè)量精度高,實(shí)時(shí)性好,系統(tǒng)誤差小等優(yōu)點(diǎn)。3.1 MSP430單片機(jī)的CPU處理模塊的設(shè)計(jì) MSP430 單片機(jī)的CPU處理模塊如圖 4 所示。圖4 MSP430 單片機(jī)的CPU處理模塊從圖4中可以看出,單片機(jī)的接口非常簡單,通過片內(nèi)的A / D通道實(shí)現(xiàn)模擬量的采集。采用片內(nèi)的A / D轉(zhuǎn)換部分,不僅可以降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性而且還可以提高系統(tǒng)的可靠性,避免接口的復(fù)雜性,同時(shí),還可以減少PCB板的面積。模擬采集的參考電壓采用的是片內(nèi)提供的參考電壓。單片機(jī)采用內(nèi)嵌的DAC 實(shí)現(xiàn)數(shù)字量的輸出,來調(diào)節(jié)半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電流的大小。在單片機(jī)的時(shí)鐘設(shè)計(jì)上, 考慮到低

9、功耗的要求。MSP430F167單片機(jī)才采用一個(gè)32kHz的時(shí)鐘信號(hào),該系統(tǒng)的時(shí)鐘部分都是采用晶體振蕩器實(shí)現(xiàn)的?？紤]到電源的輸入紋波對(duì)單片機(jī)的影響,在電源的管腳增加一個(gè)0 .1F的電容來實(shí)現(xiàn)濾波,以減少輸入端受到的干擾。另外還有模擬電源的輸入端,因此在這里需要考慮干擾問題,由于在該系統(tǒng)中干擾比較小,因此模擬地和數(shù)字地可以共地, 模擬電源輸入端增加一個(gè)濾波電容以減少干擾。3.2 光功率采樣和 I/ V 轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì)由于PD輸出電流信號(hào)為單極性, 故ADC采用單極性輸入方式。在MSP430單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)中,由于ADC12轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)為電壓,也就是參考源為電壓, 所以ADC轉(zhuǎn)換的量是電壓量,這樣

10、需要將PD輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào),設(shè)計(jì)出I / V轉(zhuǎn)換電路并濾波放大,其滿足MSP430單片機(jī)ADC12 的輸入模擬信號(hào)范圍, 如圖5所示。圖5 I/ V 轉(zhuǎn)換3.3 半導(dǎo)體激光器電流源驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)電流源驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。圖 6 電流源驅(qū)動(dòng)電路控制輸出電壓 Uout 作恒流源的輸入,恒流源是以兩個(gè)晶體管為核心,激光器作為負(fù)載與之串聯(lián),通過控制晶體管來實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器電流的控制。但晶體管是非線性器件,難以直接控制,因此必須轉(zhuǎn)化為線性控制,使得恒流源的Iout與 Uo ut呈線性關(guān)系。3.4 半導(dǎo)體激光器保護(hù)電路的設(shè)計(jì)LD兩端反相并聯(lián)一只二極管 D,可以防止反向浪涌;LD兩端并聯(lián)一個(gè)電容 C

11、,可以濾掉流過LD電流中的高頻干擾,避免LD由于高頻干擾而受到損壞。將一個(gè)接觸電阻很小的開關(guān)S與LD并聯(lián)在一起,即實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)。當(dāng)L D 不工作時(shí),將S閉合,使L D 的P極和N極短接,起到保護(hù)LD 的作用;在 L D 開始工作之前, 必須先將開關(guān)S斷開,這時(shí)電流才能流過L D,使其工作。 在軟件方面,采用慢啟動(dòng)、慢關(guān)閉和限流、限壓的設(shè)計(jì)。3.5 激光功率的穩(wěn)定控制通常半導(dǎo)體激光器內(nèi)部將激光器( LD)與背向光檢測(cè)器( PD )集成在一起, 裝在同一管芯內(nèi)。正常狀態(tài)下, LD 工作在設(shè)定的工作點(diǎn),流過 LD的驅(qū)動(dòng)電流I 與 L D 的輸出光功率處于穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。當(dāng)LD因某種原因功率增大時(shí),耦

12、合至PD 的光電流也按比例增大,當(dāng)LD光功率降低時(shí),PD的光電流相應(yīng)降低。本控制系統(tǒng)通過監(jiān)測(cè)PD 輸出光電流的變化來控制 LD的注入電流,當(dāng)輸出光電流減小時(shí), 通過單片機(jī)控制加大LD 的注入電流, 以保持輸出 功率的穩(wěn)定;反之,如果輸出光電流增大時(shí), 則降低 L D 的注入電流。LD 注入電流的大小通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)。3.6 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)MSP4 30 的開發(fā)軟件較多, 但通常使用的是IAR 公司的集成開發(fā)環(huán)境 IAR Embed ded Workbench 嵌入式工作平臺(tái), 用創(chuàng)建項(xiàng)目( Projects ) 的方式來進(jìn)行開發(fā)和管理; 為用戶提供方便和功能豐富的窗口界面, 使開發(fā)和調(diào)試的效

13、率大大提高。本系統(tǒng)采用 C 語言進(jìn)行編程。 主程序處理模塊如圖 7 所示。圖7 主程序處理模塊4 半導(dǎo)體激光器功率穩(wěn)定性的測(cè)量本實(shí)驗(yàn)使用由某公司生產(chǎn)的LD ,其峰值波長為635nm, 輸出功率為5 mW,采用TO封裝。實(shí)驗(yàn)中,對(duì)LD 加控制和不加控制時(shí)的輸出功率分別進(jìn)行了測(cè)量,并計(jì)算出功率的穩(wěn)定度。在不加任何控制時(shí),半導(dǎo)體激光器的功率穩(wěn)定度S = 2.28% ,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖 8 所示。圖 8 未加控制時(shí)測(cè)定的功率值半導(dǎo)體激光器的功率短期穩(wěn)定度S = 0.5%-0.7% ,將其中一組試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng) origin 制圖,如圖9所示。圖 9 短期穩(wěn)定度的功率測(cè)量曲線半導(dǎo)體激光器的功率長期穩(wěn)定度 S = 0.7% ,將其中一組試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)origin 制圖,如圖10所示。圖 10 長期穩(wěn)定度的功率測(cè)量曲線5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析通過未被控制和被控制的半導(dǎo)體激光器功率穩(wěn)定度的測(cè)試結(jié)果來看,本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定半導(dǎo)體輸出功率的功能,但由于所選用的半導(dǎo)體激光器的轉(zhuǎn)換效率低,以及光電探測(cè)器的響應(yīng)度不高,且自身不帶有制冷裝置,只能通過大的散熱片來降低溫度對(duì)其產(chǎn)生的影響,使得激光器輸出功率的穩(wěn)定度不可能進(jìn)一步提高;在實(shí)驗(yàn)測(cè)量過程中,背景光也會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果產(chǎn)生影響。在半導(dǎo)體工作期間,溫度對(duì)功率的影響也很大,若在以后的設(shè)計(jì)中增加溫度控制部分,其穩(wěn)定效果將更好。6 結(jié) 論設(shè)