一种基于PID控制的高稳定度激光产生电路的制作方法

本发明属于电子设备技术领域，特别涉及一种基于PID控制的高稳定度激光产生电路。

背景技术：

光纤激光器以其低阈值、高功率、高光束质量、可靠性好、结构紧凑和散热性好等诸多优点，广泛应用于激光光纤通讯、激光空间远距通讯、工业造船、汽车制造、激光雕刻、激光打标、激光切割、印刷制辊、金属非金属钻孔/切割/焊接(铜焊、淬水、包层以及深度焊接)、军事国防安全、医疗器械仪器设备等领域。光纤激光器是利用掺稀土元素光纤作为增益介质的激光器。光纤激光器在光纤放大器的基础上开发而来，由泵浦源、稀土元素掺杂光纤、谐振腔三个基本要素组成，其工作原理是：泵浦源产生的泵浦波长上的光子被掺杂光纤吸收，使其中的稀土元素离子跃迁到较高的能级，形成粒子数反转；在自发或受激的条件下，稀土元素离子由高能级回到低能级并同时释放出相应能量的光子；在光纤激光器的光纤谐振腔中上述过程构成正反馈，从而形成激光振荡输出。

在光纤激光器中，必须由一个激光产生电路(泵浦源)为整个光纤激光器提供能量源，作为光纤激光器的核心部分，泵浦源最主要的技术指标主是输出激光的稳定度，在各种激光产生电路中，由蝶形激光器模块和电流驱动器、温度控制器组成的系统由于其使用方便、功能丰富、稳定性高、易于集成等优点被广泛使用，与本发明最接近的现有技术是本课题组于2014年申请的发明专利“一种高稳定度光纤激光器泵浦源”，申请号为2014103102505，该文献中，以蝶形激光器模块为发光源，由稳定性很高的恒流驱动器和恒温控制器对其进行驱动和控温，除蝶形激光器模块进行控温外，对系统其它部分核器件也进行了控温，有效地提高了输出激光的稳定度，但该技术还存在一定缺陷：一、驱动器采取的是普通的线性比例的控制方式，而蝶形激光器模块属于电光转换器件，转换过程输出光信号和输入电信号不可避免地会出现延迟现象，当需要频繁改变功率时，输出功率会无法准确快速地跟上电信号的变化，或者改变驱动电流时，输出光功率会在目标功率附近发生振荡现象；二、系统中没有超温保护措施，一旦蝶形激光器模块产生的热量超出温控器的控温能力或者温控器出现故障时，激光器温度会急剧上升，很容易烧坏蝶形激光器模块。基于上述情况，目前在激光器产生电路中，尤其是在稳定性和安全性方面还有需要进一步解决的问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，克服背景技术中的不足，提供一种高稳定度、高安全性的激光产生电路。

本发明的技术问题通过以下技术方案解决：

一种基于PID控制的高稳定度激光产生电路，结构有激光器模块1、功率控制模块2和温度控制模块3，其特征在于，所述的功率控制模块2由功率设置模块21、功率取样模块22、PID运算模块23、LD驱动模块24和超温断电模块25构成；

所述的功率设置模块21的结构为，电阻R1的一端接电源VCC，另一端接稳压二极管D1的阴极和滑动变阻器W1的一端，稳压二极管D1的阳极和滑动变阻器W1的另一端接地，滑动变阻器W1的滑线端接电阻R2的一端，电阻R2的另一端接运放U1A的同相输入端，运放U1A的反相输入端接电阻R3的一端和电阻R4的一端，输出端接电阻R4的另一端，并作为功率设置模块21的输出端，记为端口P_set，电阻R3的另一端接地，运放U1A的正、负电源端分别接电源VCC和地；

所述的功率取样模块22的结构为，电阻R5的一端接运放U1B的同相输入端，并作为功率取样模块22的一个输入端，与激光器模块1的端口PD+相连，电阻R5的另一端接运放U2A的同相输入端，并作为功率取样模块22的另一个输入端，与激光器模块1的端口PD-相连，运放U1B的反相输入端和输出端之间接电阻R6，运放U1B的输出端作为功率取样模块22的输出端，记为端口P_F，运放U1B的反相输入端还接电阻R7的一端和电阻R8的一端，电阻R8的另一端接电阻R9的一端、电阻R10的一端和运放U2A的反相输入端，电阻R10的另一端接地，电阻R7的另一端和电阻R9的另一端接运放U2A的输出端，运放U2A的正、负电源端分别接电源VCC和电源VEE；

所述的PID运算模块23的结构为，电阻R11的一端接运放U2B的反相输入端，另一端作为PID运算模块23的反馈输入端，记为端口P_F_in，并与功率取样模块22中的端口P_F相连，电阻R12的一端接运放U2B的同相输入端，另一端作为PID运算模块23的设置输入端，记为端口P_set_in，并与功率设置模块21中的端口P_set相连，运放U2B的同相输入端通过电阻R14接地，反相输入端和输出端之间接电阻R13，电阻R15的一端接运放U2B的输出端，另一端接运放U3A的反相输入端，运放U3A的同相输入端通过电阻R16接地，反相输入端和输出端之间接电阻R17，运放U3A的输出端接电阻R18的一端，电阻R18的另一端接运放U4B的反相输入端；电阻R19的一端接运放U2B的输出端，另一端接运放U3B的反相输入端，运放U3B的同相输入端通过电阻R20接地，反相输入端和输出端之间接电容C1，输出端接电阻R21的一端，电阻R21的另一端接运放U4B的反相输入端；电阻R22的一端接运放U2B的输出端，另一端接电容C2的一端，电容C2的另一端接电容C3的一端、电阻R24的一端和运放U4A的反相输入端，电容C3的另一端和电阻R24的另一端接运放U4A的输出端和电阻R25的一端，运放U4A的同相输入端通过电阻R23接地，电阻R25的另一端接运放U4B的反相输入端；运放U4B的同相输入端通过电阻R27接地，反相输入端和输出端之间接电阻R26，输出端作为PID运算模块23的输出端，记为端口I_ctr；运放U3A和运放U4A的正电源端接电源VCC，负电源端接电源VEE；

所述的LD驱动模块24的结构为，电阻R28的一端接运放U5B的同相输入端，另一端作为LD驱动模块24的电流控制输入端，记为端口I_ctr_in，并与PID运算模块24的端口I_ctr相连，运放U5B的同相输入端作为LD驱动模块24的超温控制输入端，记为端口Alert_ctr_in，并与超温断电模块25的端口Alert_ctr相连，运放U5B的反相输入端和输出端之间接电容C4，反相输入端还接电阻R29的一端和电阻R30的一端，电阻R29的另一端接电源VCC，电阻R30的另一端接可调电阻W2的一端和运放U5A的输出端，可调电阻W2的另一端接电阻R31的一端，电阻R31的另一端接运放U5A的反相输入端，运放U5A的同相输入端和反相输入端分别与电阻R32的一端和电阻R33的一端相连，电阻R32的另一端接电阻Rs1的一端和场效应管Q1的源极，电阻R33的另一端接电阻Rs1的另一端，还接激光器模块1的端口LD+，场效应管Q1的漏极接电源VCC，栅极接运放U5B的输出端，运放U5A的正、负电源端分别接电源VCC和地；

所述的超温断电模块25的结构为，电阻R34的一端接电源VCC，另一端接三极管Q2的基极，并作为超温断电模块25的输入端，接激光器模块1的端口NTC+，三极管Q2的集电极接三极管Q3的基极和电阻R35的一端，三极管Q2的发射极接三极管Q3的发射极和电阻R39的一端，电阻R39的另一端接地，电阻R35的另一端接可调电阻W3的一端，可调电阻W3的另一端接电源VCC，三极管Q3的集电极接电阻R36的一端和电阻R37的一端，电阻R36的另一端接电源VCC，电阻R37的另一端接三极管Q4的基极，三极管Q4的发射极接电源VCC，集电极扫电阻R38的一端和场效应管Q5的栅极，电阻R38的另一端接地，场效应管Q5的源极接地，漏极作为超温断电模块25的输出端，记为端口Alert_ctr，接LD驱动模块24的端口Alert_ctr_in，所述的三极管Q2和三极管Q3为NPN型三极管，三极管Q4为PNP型三极管。

本发明的一种基于PID控制的高稳定度激光产生电路中，功率控制模块2中所用的各器件的优选参数为，电阻R1：9.1kΩ，电阻R2～电阻R4均为10kΩ，电阻R5：1.5kΩ，电阻R6、电阻R7、电阻R9、电阻R10均为180kΩ，电阻R8：20kΩ，电阻R11～电阻R16均为10kΩ，电阻R17：20kΩ，电阻R18：10kΩ，电阻R19、电阻R20均为20kΩ，电阻R21：10kΩ，电阻R22：200kΩ，电阻R23：150kΩ，电阻R24：180kΩ，电阻R25～电阻R28均为10kΩ，电阻R29：1MΩ，电阻R30：10kΩ，电阻31：200kΩ，电阻R32～电阻R34均为10kΩ，电阻R35：200kΩ，电阻R36：100kΩ，电阻R37：20kΩ，电阻R38、电阻R39均为10kΩ，电阻Rs1：0.1Ω，滑动变阻器W1：10kΩ，可调电阻W2：200kΩ，可调电阻W3：100kΩ，电容C1、电容C2均为1uF，电容C3：22pF，电容C4：0.47uF，稳压二极管D1：2.5V，场效应管Q1：IRF540，场效应管Q5：k1482，三极管Q2、三极管Q3均为2N3904，三极管Q4：2N3906，运放U1A和运放U1B是型号为LM358P的集成双运放的两个工作单元，运放U2A和运放U2B是第二个型号为LM358P的集成双运放的两个工作单元，运放U3A和运放U3B是第三个型号为LM358P的集成双运放的两个工作单元，运放U4A和运放U4B是第四个型号为LM358P的集成双运放的两个工作单元，运放U5A和运放U5B是第五个型号为LM358P的集成双运放的两个工作单元，电源VCC为+12V，电源VEE为-12V。

本发明的一种基于PID控制的高稳定度激光产生电路中，所述的激光器模块1优选捷迪讯LC96蝶形封装激光器模块。

本发明的一种基于PID控制的高稳定度激光产生电路中，所述的温度控制模块3为现有技术，可用任何能实现温度控制的电路构成，也可参考中国专利CN2007100559129(高稳定度恒温控制器)或中国专利CN2010102701027(基于热电制冷器的宽电源功耗限制型恒温控制器)中的设计。

有益效果：

1、本发明在功率控制模块中加入了PID运算电路对驱动电流进行控制，可有效提高输出光功率的稳定性，且有效防止了在改变驱动电流时输出光功率的振荡现象。

2、本发明在功率控制模块中加入了超温断电控制电路，当激光器模块的工作温度超过设定的预警温度时会自动切断驱动电流，有效防止由于工作温度过高导致的激光器模块损坏，提高了系统的安全性。

附图说明：

图1是本发明一种基于PID控制的高稳定度激光产生电路的整体原理框图。

图2是本发明所用的激光器模块的封装及引脚示意图。

图3是功率设置模块21的原理电路图。

图4是功率取样模块22的原理电路图。

图5是PID运算模块23的原理电路图。

图6是LD驱动模块24的原理电路图。

图7是超温断电模块25的原理电路图。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明各部分电路的具体结构和工作原理。附图中所标参数为各实施例的优选电路参数。

实施例1系统整体结构

如图1所示，系统结构有激光器模块1、功率控制模块2和温度控制模块3，所述的功率控制模块2由功率设置模块21、功率取样模块22、PID运算模块23、LD驱动模块24和超温断电模块25构成，功率控制模块2和温度控制模块3均和激光器模块1相连，功率控制模块2向激光器模块1提供驱动电流，通过驱动电流的大小控制输出光功率的大小，由功率设置模块21设置所需的功率(以电压形式输出)，功率取样模块22通过激光器模块1中集成的光电二极管(PD)对输出光功率进行取样并转换成电压，然后与功率设置模块21设置的电压在PID运算模块23中进行求差并进行PID运算，运算的结果输出到LD驱动模块24并控制其输出到激光器模块1的驱动电流，进而控制激光器模块1的输出光功率，由于PID运算模块的自动控制作用，使得输出光功率能够准确、快速、稳定地按照功率设置模块21所设置的功率进行变化，同时超温断电模块25通过激光器模块1中集成的热敏电阻(NTC)对激光器模块的工作温度进行监测，当温度超过安全温度时，超温断电模块25会输出一个控制信号，将LD驱动模块24关断，此时，无论功率设置模块21设置的功率是多少，LD驱动模块24均不向激光器模块1输出驱动电流，温度控制模块3负责控制激光器模块的工作温度。

实施例2激光器模块

本实施例的激光器模块1选用捷迪讯LC96蝶形封装激光器模块，其封装及引脚示意图如图2所示，该激光器模块内部集成了激光二极管LD、光电二极管PD、热电制冷器TEC和热敏电阻NTC，该模块共有14个引脚，其中6脚、7脚、8脚、9脚、12脚均为空引脚(NC)，1脚和14脚分别是内部热电制冷器的两个电流输入端(端口TEC+和端口TEC-)用于和温度控制模块3的电流输出端口相连，2脚和5脚是内部集成热敏电阻的两个接线端口(端口NTC+和端口NTC-)，用于和温度控制模块3的热敏电阻输入端相连，端口NTC+还和超温断电模块25的输入端相连，3脚和4脚为内部集成光电二极管的两个接线端口(端口PD+和端口PD-)，此二端口输出的电流大小反应了光功率的大小，此二端口与功率取样模块的两个输入端相连，用于将输出光功率转换成电压信号，10脚和11脚是内部激光二极管的阳极和阴极(端口LD+和端口LD-)，其中端口LD-接地，端口LD+与LD驱动模块24的输出端相连，由LD驱动模块24向内部集成的激光二极管提供驱动电流控制其输出光功率，13脚为外壳接地端。

实施例3温控模块

本发明所述的温度控制模块3为现有技术，具体可参考申请人课题组以前申请的中国专利CN2007100559129(高稳定度恒温控制器)或中国专利CN2010102701027(基于热电制冷器的宽电源功耗限制型恒温控制器)中的设计，温度控制模块3有一组电流输出端，用于驱动热电制冷器进行制冷或加热，温度控制模块3还有一组热敏电阻输入端，用于连接热敏电阻，并将热敏电阻的阻值变化(阻值的变化反应温度的变化)转换成电压变化反馈给温度控制模块3以实现自动控温。

实施例4功率设置模块

如图3所示，所述的功率设置模块21的结构为，电阻R1的一端接电源VCC，另一端接稳压二极管D1的阴极和滑动变阻器W1的一端，稳压二极管D1的阳极和滑动变阻器W1的另一端接地，滑动变阻器W1的滑线端接电阻R2的一端，电阻R2的另一端接运放U1A的同相输入端，运放U1A的反相输入端接电阻R3的一端和电阻R4的一端，输出端接电阻R4的另一端，并作为功率设置模块21的输出端，记为端口P_set，电阻R3的另一端接地，运放U1A的正、负电源端分别接电源VCC和地；通过该模块中的滑动变阻器W1可设置所需的电压输出，进而控制最终的输出光功率。

实施例5功率取样模块

如图4所示，所述的功率取样模块22的结构为，电阻R5的一端接运放U1B的同相输入端，并作为功率取样模块22的一个输入端，与激光器模块1的端口PD+相连，电阻R5的另一端接运放U2A的同相输入端，并作为功率取样模块22的另一个输入端，与激光器模块1的端口PD-相连，运放U1B的反相输入端和输出端之间接电阻R6，运放U1B的输出端作为功率取样模块22的输出端，记为端口P_F，运放U1B的反相输入端还接电阻R7的一端和电阻R8的一端，电阻R8的另一端接电阻R9的一端、电阻R10的一端和运放U2A的反相输入端，电阻R10的另一端接地，电阻R7的另一端和电阻R9的另一端接运放U2A的输出端，运放U2A的正、负电源端分别接电源VCC和电源VEE。功率取样模块22将激光器模块1的输出光功率转换成电压信号。

实施例6PID运算模块

如图5所示，所述的PID运算模块23的结构为，电阻R11的一端接运放U2B的反相输入端，另一端作为PID运算模块23的反馈输入端，记为端口P_F_in，并与功率取样模块22中的端口P_F相连，电阻R12的一端接运放U2B的同相输入端，另一端作为PID运算模块23的设置输入端，记为端口P_set_in，并与功率设置模块21中的端口P_set相连，运放U2B的同相输入端通过电阻R14接地，反相输入端和输出端之间接电阻R13，电阻R15的一端接运放U2B的输出端，另一端接运放U3A的反相输入端，运放U3A的同相输入端通过电阻R16接地，反相输入端和输出端之间接电阻R17，运放U3A的输出端接电阻R18的一端，电阻R18的另一端接运放U4B的反相输入端；电阻R19的一端接运放U2B的输出端，另一端接运放U3B的反相输入端，运放U3B的同相输入端通过电阻R20接地，反相输入端和输出端之间接电容C1，输出端接电阻R21的一端，电阻R21的另一端接运放U4B的反相输入端；电阻R22的一端接运放U2B的输出端，另一端接电容C2的一端，电容C2的另一端接电容C3的一端、电阻R24的一端和运放U4A的反相输入端，电容C3的另一端和电阻R24的另一端接运放U4A的输出端和电阻R25的一端，运放U4A的同相输入端通过电阻R23接地，电阻R25的另一端接运放U4B的反相输入端；运放U4B的同相输入端通过电阻R27接地，反相输入端和输出端之间接电阻R26，输出端作为PID运算模块23的输出端，记为端口I_ctr；运放U3A和运放U4A的正电源端接电源VCC，负电源端接电源VEE。功率设置模块21的输出的控制电压与功率取样模块22输出的反馈电压在PID运算模块23中比较求差并进行PID运算，运算结果用于控制LD驱动模块的驱动电流。

实施例7LD驱动模块

如图6所示，所述的LD驱动模块24的结构为，电阻R28的一端接运放U5B的同相输入端，另一端作为LD驱动模块24的电流控制输入端，记为端口I_ctr_in，并与PID运算模块24的端口I_ctr相连，运放U5B的同相输入端作为LD驱动模块24的超温控制输入端，记为端口Alert_ctr_in，并与超温断电模块25的端口Alert_ctr相连，运放U5B的反相输入端和输出端之间接电容C4，反相输入端还接电阻R29的一端和电阻R30的一端，电阻R29的另一端接电源VCC，电阻R30的另一端接可调电阻W2的一端和运放U5A的输出端，可调电阻W2的另一端接电阻R31的一端，电阻R31的另一端接运放U5A的反相输入端，运放U5A的同相输入端和反相输入端分别与电阻R32的一端和电阻R33的一端相连，电阻R32的另一端接电阻Rs1的一端和场效应管Q1的源极，电阻R33的另一端接电阻Rs1的另一端，还接激光器模块1的端口LD+，场效应管Q1的漏极接电源VCC，栅极接运放U5B的输出端，运放U5A的正、负电源端分别接电源VCC和地。LD驱动模块24受PID运算模块输出的电压控制，产生驱动电流，用于控制激光器模块1的输出光功率。

实施例8超温断电模块

如图7所示，所述的超温断电模块25的结构为，电阻R34的一端接电源VCC，另一端接三极管Q2的基极，并作为超温断电模块25的输入端，接激光器模块1的端口NTC+，三极管Q2的集电极接三极管Q3的基极和电阻R35的一端，三极管Q2的发射极接三极管Q3的发射极和电阻R39的一端，电阻R39的另一端接地，电阻R35的另一端接可调电阻W3的一端，可调电阻W3的另一端接电源VCC，三极管Q3的集电极接电阻R36的一端和电阻R37的一端，电阻R36的另一端接电源VCC，电阻R37的另一端接三极管Q4的基极，三极管Q4的发射极接电源VCC，集电极扫电阻R38的一端和场效应管Q5的栅极，电阻R38的另一端接地，场效应管Q5的源极接地，漏极作为超温断电模块25的输出端，记为端口Alert_ctr，接LD驱动模块24的端口Alert_ctr_in，所述的三极管Q2和三极管Q3为NPN型三极管，三极管Q4为PNP型三极管。超温断电模块25的输入端接激光器模块1的端口NTC+，用于监测端口NTC+的电压，由于激光器模块1中集成的是负温度系数的热敏电阻，因此在温度较低时，阻值较高，端口NTC+的电压也高，此时三极管Q2导通，三极管Q3和三极管Q4截止，场效应管Q5的栅极为低电平，场效应管Q5截止，这样整个超温断电模块25相当于是从LD驱动模块24中断开，不影响LD驱动模块24的正常工作；当温度升高到设定的预警温度(由可调电阻W3设定)时，端口NTC+的电压下降到三极管Q2的截止电压，使得三极管Q2截止，三极管Q3和三极管Q4导通，场效应管Q5栅极电压转为高电平，场效应管Q5导通，端口Alert_ctr的电位近似为0，该端口将LD驱动模块24的输入端的控制电压固定到0，因此不会产生电流输出，从而切断了激光器模块1的驱动电流，当温度重新回到安全范围内，才能重新工作。由于R35+W3>R36，因此该超温断电模块25具有一定的回差特性，当出现超温断电后，工作温度回到低于报警温度时不会立刻恢复驱动电流，而是需要工作温度下降到一个更低的值才能恢复驱动电流。