一种用于半导体激光器的两级温度控制系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及半导体激光器溫度控制的技术领域，具体设及一种用于半导体激光器 的两级溫度控制系统，可用于半导体激光器的高精度溫度控制。
【背景技术】
[0002] 半导体激光器具有效率高、功耗低、体积小、重量轻、价格低廉、可靠性高、使用寿 命长等优点，广泛应用于军事、医疗、通讯、国防、科研、加工等领域。半导体激光器的性能主 要受到它的输出功率与频率的影响，而激光器的频率和功率对溫度具有很强的依赖性。因 此，要对半导体激光器进行长时间高精度的溫度控制。
[0003] 目前的半导体激光器溫度控制系统一-不管是采用模拟还是数字的方式一-都 采用的是一级溫度控制的方式。一级溫度控制系统难W保证电路板工作环境溫度的稳定。 一级溫度控制系统多种元器件的性能在工作中受到环境溫度变化的影响，会导致半导体激 光器溫度控制系统的控制精度降低、寿命减小。因此有必要对溫控系统本身的溫度进行控 审lj，w尽可能地消除溫度变化对元件性能的影响，进一步提高半导体溫度控制系统的控制 精度和性能稳定性。目前大多数产品的桥式电路采用的是电阻分压的方式，桥臂电压差与 电阻之间的关系是非线性的，不利于提高控制系统的精度。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于设计一种用于半导体激光器的两级溫度控制系统，第一级溫度 控制系统由可变电阻器设定参考电压，通过带恒流源的电桥电路产生偏差信号，利用PID 调节处理信号，通过改变驱动TEC的电流方向和大小进行制冷或加热，直接控制半导体激 光管的溫度；第二级溫度控制系统采用数字PID和PWM调制的方式，驱动TEC和风扇使电路 板所处环境的溫度稳定；可W提高溫度控制的精度和系统工作的稳定性。 阳0化]本发明采用的技术方案为：一种用于半导体激光器的两级溫度控制系统，其特征 在于：包括第一级溫度控制子系统、第二级溫度控制子系统、溫度显示子系统和供电电源子 系统；第一级溫度控制子系统直接作用于半导体激光管，利用负溫度系数热敏电阻NTC采 集溫度信息，使用桥式电路将溫度信息转化为电信号，采用模拟PID调节的方式调制信号， 使用两个M0S管驱动TEC制冷/加热；第二级溫度控制子系统作用于控制系统本身，数字键 盘设定第二级溫度控制系统的参考溫度，使用NTC采集溫度信号并转化为模拟电信号，用 A/D转化器将模拟信号转化为数字信号，利用DSP处理数字信号，采用数字智能PID调节和 脉宽调制PWM的方式处理信号，执行机构使用NTC和散热风扇；溫度显示子系统经溫度传感 器获得溫度信息，由ADC转换信号，经DSP处理后实时显示在数码管上，分别显示两级溫控 的设定溫度和实际溫度；供电电源子系统由稳压忍片和相关的电阻、电容组成，提供电路系 统所需的多种电压和驱动TEC用的大电流。
[0006] 进一步的，所述的第一级溫度控制子系统直接作用于半导体激光管，由桥式电路 模块、仪用放大器模块UUPID调节模块、TEC驱动模块组成；所述的桥式电路模块利用两个 相同的恒流源产生恒定的电流I分别流过NTC和设定电阻Rwt;所述的桥式电路模块的桥臂 的电压差AV=IRwc-Vref，其中Vref=I*Rset是另一只桥臂上的设定电压，使电桥的电压差 与可变电阻的阻值呈线性关系；电桥产生的电压差信号在进入PID调节电路前用放大器电 路进行放大；PID电路采用模拟元件搭建；TEC驱动电路利用两个MOS管交替通断提供驱动 电流；TEC制冷还是加热由流过它的电流的极性决定，制冷/加热量的大小由流过它的电流 大小决定。
[0007] 进一步的，所述的第二级溫度控制子系统作用于控制系统本身；通过第二级溫度 控制系统可W设定电路工作在合适的溫度下，可W保证系统工作环境溫度的稳定性；它由 DSP及其外围电路、ADC、DAC、NTC、TEC、风扇和数字键盘组成；NTC用来感受控制系统所处的 溫度，ADC、DAC用来进行模拟信号和数字信号之间的转换，TEC和风扇作为调节溫度的执行 器，键盘用来设定第二级溫控的参考溫度，DSP内写入模糊PID和PWM的程序W处理信号起 到控制的作用；在散热压力比较大时，开启散热风扇，有利于溫度的快速稳定。
[0008] 进一步的，所述的溫度显示子系统由05?、40(：、04(：、溫度传感器、数码显示管组成； 数码显示管用来显示溫度；溫度传感器安装在半导体激光管的底座和溫控电路板上，分别 检测激光管和溫控系统的实际溫度；第二级溫度控制子系统的设定溫度由键盘输入决定， 事先在DSP中存储显示溫度与键盘输入对应的表格，根据不同的键盘输入显示不同设定溫 度；第一级溫度控制子系统的参考溫度由两个可变电位器设定，由于不同的环境溫度（此 处指溫度控制电路板所处环境溫度，W下相同）下电阻阻值及参考电源的输出会有所不 同，DSP中应存入多个对应不同环境溫度下第一级溫控参考溫度与电位器阻值相对应的数 据表，根据运些数据表在不同的环境溫度下显示不同的第一级溫控设定溫度。
[0009] 进一步的，所述的供电电源子系统能够提供溫控系统工作所需要的电源；主要由 线性稳压忍片及其相关电阻、电容W及=极管组成；线性稳压忍片及其相关电阻、电容提供 系统电路工作所需要的多种电压值；由于TEC工作需要一个较大的电流，而线性稳压忍片 并不能提供足够大的电流，因此在电源电路中并联=极管，需要时使=极管工作在放大状 态，提供TEC工作所需要的大电流。
[0010] 本发明的原理在于：
[0011] 所述的第一级溫度控制子系统包括桥式电路、信号放大器、PID调节电路和半导体 审岭器（TEC)驱动电路。可变电阻器和负溫度系数热敏电阻（NTC) 1分别连接到桥式电路的 两条不同桥臂上，NTC1的阻值代表激光管处的溫度，可变电阻器用来设定溫度控制的参考 电压，通过桥式电路差生控制的偏差信号；桥式电路产生的偏差信号输入到信号放大器进 行信号放大处理，此电路中信号放大器使用的是AD620 ;放大后的信号经过PID调节电路， 产生控制作用；TEC驱动电路主要由一个N沟道M0S管和一个P沟道M0S管组成，正向控制 信号使N沟道M0S管输出正电流驱动TEC加热，负向控制信号使P沟道M0S管输出负电流 驱动TEC制冷，电流的大小与控制信号的大小正相关，TEC的加热/制冷功率与电流大小正 相关；TEC加热/制冷来调节半导体激光管的溫度。
[0012] 所述的第二级溫度控制子系统包括数字信号处理器值S巧忍片、时钟电路、JTAG电路、模数转换器（40〇、数模转换器值4〇、饥'(：、16(：。05?忍片、时钟电路^146电路构成 DSP的最小系统，是第二级溫度控制子系统的核屯、部件，PID控制和PWM调制都由DSP实现； 四个参数相同的负溫度系数热敏电阻（NTC2-NTC5)分别安装在控制电路板的四个角上， 当他们的输出相等时表示达到热平衡，此时的NTC输出可代表系统环境溫度，转换为电信 号后经过滤波处理和ADC转换输入到DSP中；DSP中有设定好的参考溫度信息，将参考信息 与输入信号比较产生差值，通过PID调节和PWM处理，经过DAC转换和滤波输入到TEC驱动 电路和散热风扇控制电路中，驱动TEC和风扇工作（风扇在需要制冷时工作，弥补TEC制冷 效率低的不足）；PID参数和PWM参数可通过键盘设定。
[0013] 所述的显示子系统包括溫度传感器AD590,数码显示管及其控制忍片，显示面板还 包括一块键盘。AD590 (1)感受的是激光管的溫度，AD590 (2) -AD590 (5)安装在NTC2-NTC5 附近，感受溫度控制系统的环境溫度，运些信号经过滤波处理和模数转换后输入到DSP中， 经过处理和数模转换后显示在数码管上，运显示的是激光管和环境的实际溫度；可变电阻 器的阻值通过电路转换为电信号，经滤波和模数转换后