刘松斌 赵 宇 王 威 李晶娜

(1.东北石油大学电气信息工程学院；2.中国石油大庆油田电力职业技术培训中心)

TDLAS检测系统的激光器驱动电路①

刘松斌1赵 宇1王 威2李晶娜2

(1.东北石油大学电气信息工程学院；2.中国石油大庆油田电力职业技术培训中心)

针对温度变化对半导体激光器(LD)的输出激光波长及其工作稳定性的影响，提出运用热电制冷器TEC构成二级制冷系统，分别对激光器的外部和内部温度进行精准控制。采用闭环PID电路产生控制信号控制TEC的驱动电流和方向，从而达到制冷和加热的目的；为进一步实现对驱动信号的滤波，提出采用级联方式的LTC1064构成四阶滤波系统。测试结果表明：TEC温控系统取得了很好的温控效果，响应速度快，精度达到±0.01℃，滤波系统有效滤除了正弦波中的直流分量和高次谐波的干扰，满足激光器对温度和驱动信号的要求。

激光器 TEC 温度 滤波 LTC1064

随着科学技术的不断发展，激光检气技术在工业、科研等领域得到了越来越广泛的应用。激光检气主要基于半导体激光器吸收光谱技术(TDLAS)，这是一种利用激光器的波长扫描和电流调谐特性对气体进行检测的技术[1～3]。通过改变激光器发射激光的波长，使光源扫描过待测气体的选定吸收跃迁谱线，进而检测被测气体的浓度。然而，温度对LD发出激光的性能有很大影响，如输出光功率、波长等，当激光器内部温度增加时，输出波长也随之增加，波长随温度变化的典型值在0.3～0.4nm/℃[4，5]。因此，保证半导体激光器工作温度的稳定是提高固体激光器性能的重要手段。笔者提出以ARM作为核心控制器，利用DRV592功率放大器驱动TEC形成温控系统，实现对激光器工作温度快速、精准的控制，并且利用LTC1064级联成四阶滤波系统对驱动信号进行有效滤波。

1 系统总体设计

激光器驱动系统的总体设计框图如图1所示。系统主要包括驱动信号的产生电路和温度闭环控制电路两部分。

图1 激光器驱动系统总体设计框图

激光器驱动系统的核心处理器是MiniSTM32 V3.0开发板，它以STM32F103RCT6作为MCU，其资源包括：两个基本定时器、两个高级定时器、3个SPI、3个12位ADC及一个12位DAC等51个通用IO口[6，7]。该芯片具有低功耗、低成本及高性能等突破性的创新特点，充分满足本实验要求。激光器的驱动信号由直流偏置、锯齿波和高频正弦波构成。直流偏置对准气体中心波长，低频锯齿波在较大范围内改变激光器的波长，使它在气体吸收峰附近进行扫描，高频正弦波实现对激光器输出波长的调制。二倍频正弦波幅值信号与待测气体浓度成正比关系。温度控制部分采用闭环PID温控系统，使激光器的温度稳定在25±0.01℃范围内，利用激光器电流调谐技术特性改变其输出波长，使它在气体吸收峰附近扫描。

2 TEC温控系统

热电制冷器TEC是利用半导体材料珀耳帖效应制成的。珀耳帖效应是指当直流电流通过两种半导体材料组成的电偶时，一端吸热、一端放热的现象[8]。当有电流从TEC流过时，电流产生的热量会从TEC的一侧传到另一侧，在TEC上产生“热”侧和“冷”侧，这就是TEC的加热与制冷原理。最终是制冷还是加热，以及制冷、加热的功率，由通过它的电流方向和大小决定。由于具有体积小、速度快及控制方便等优点，因而TEC非常适合小型设备的恒温控制系统[9，10]。

2.1 TEC温控系统的硬件部分

2.1.1 TEC驱动模块

采用大功率H桥驱动电路DRV592来驱动TEC，由STM32产生两路互补的PWM波输入到DRV592的IN+和IN-两个引脚。在DRV592芯片内部配置了4个MOSFET组成的H桥，通过H桥来控制MOSFET的导通与关闭，进而控制电流流过珀耳帖器件的方向。通过这种方式实现TEC制冷和加热。具体的连接方式如图2所示。

图2 DRV592连接电路

2.1.2 高精度温度采集系统

STM32内部的12位ADC转换不能满足控制要求，为此，采用高精度AD转换芯片AD7793，该芯片是适合高精度测量应用的低功耗、低噪声、带有3个差分模拟输入的24位Σ-Δ型数模转换器，最高有效分辨率可达23位，片内有两个可编程电流源，有10、210、1 000μA共3种输出形式[11，12]。

AD7793通过SPI与STM32进行通信，如图3所示，AD7793的1、16、15引脚分别与STM32的SPI1的SCLK(时钟信号)、MOSI(主输出从输入)、MISO(主输入从输出)相连，为了避免高频信号的干扰，采用外接1MHz的晶振作为AD7793的CLK。通过软件配置电流源210μA，因为AD7793内部集成了低噪声仪表放大器，所以可以直接以恒流源通过热敏电阻，在它两端产生电压输入到AIN1引脚，经过AD7793模数转换作为TEC闭环温控系统的反馈量。

图3 AD7793与STM32的硬件连接电路

2.2 TEC温控系统的软件部分

电路采用闭环数字增量PID算法，PID是一种先行调解器，根据给定值r(t)与实际值y(t)构成偏差e(t)=r(t)-y(t),对e(t)构成线性组合进行控制。闭环PID温控系统的框图如图4所示。

传统的PID控制算法需要对e(t)进行求和，占用较多的计算机内存，比较麻烦。笔者采用增量式PID算法，使得数字调节器输出只是增量，算式中不需要累加，每一次的增量值只与前后两次的采样值有关，容易取得更好的控制效果，加快了系统的响应速度[13，14]。

离散后的差分方程如下：

图4 闭环PID温控系统框图

(1)

(2)

两次采样之间的增量为：

Δuk=uk-uk-1

(3)

=Aek-Bek-1+Cek-2

其中Kp为比例系数，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数。

STM32将采样温度与设置温度的差值作为输入变量，然后采用PID控制算法进行计算并产生相应的控制量，控制量经由STM32和DRV592功率驱动器产生相应的控制电流驱动TEC，进行制冷或加热；与此同时，激光器的温度又通过热敏电阻反馈到数据采样电路，从而引入反馈量来调整输出电流的大小和方向，直到温度稳定到设定值。

在采样设计过程中采用数字滤波方法，有效减少了误差。为防止超调量过大，损坏激光器，在软件上采用积分分离式PID，当温度设定值与实际值之差大于3℃时采用PD算法，反之则采用PID算法[15～17]，具体流程如图5所示。

图5 软件流程

3 滤波环节

为了实现更好的驱动效果，笔者提出采用LTC1064滤波器分别对10kHz和20kHz的正弦波进行滤波。LTC1064是一个低噪声且谐波失真小的高速开关电容滤波器，内含4个独立、高速、低噪声的二阶开关电容滤波器结构单元；每个单元通过外部时钟和3～5个电阻，就可以构成低通、高通、带通及带阻等不同种类的二阶滤波器，且每个二阶滤波器的截止频率或中心频率f0取决于外部提供的时钟频率[18]。因此，只要通过改变输入到LTC1064的时钟频率就可以灵活地改变滤波器的截止频率或中心频率f0。

LTC1064滤波器有主要和次要两种工作模式，主要工作模式有模式1和模式3，次要工作模式有模式1b、模式2和模式3a。本次设计用到了两种主要工作模式，模式1的原理如图6所示，模式3的原理如图7所示。

图6 LTC1064模式1的原理

图7 LTC1064模式3的原理

滤波器A、B和C工作在模式1状态，滤波器D工作在模式3状态，分别设计滤波器B和C级联成四阶滤波器，用于对20kHz的正弦波进行滤波；滤波器A和D级联用于对10kHz正弦波进行滤波。LTC1064的具体连接电路如图8所示。

图8 LTC1064的连接电路

4 实验结果

将采样得到的温度值通过串口发送给PC机，使用图形化编程环境LabVIEW编写上位机显示程序。实验结果如图9所示，温度变化范围在25±0.01℃。通过示波器，对滤波前后的正弦波进行对比，结果如图10所示。偏置信号、锯齿波扫描信号和正弦波调制信号的叠加如图11所示。

5 结束语

激光器驱动系统以STM32为核心控制器，采用热电制冷器TEC为半导体激光器(LD)制冷或加热，可以使恒温系统的波动范围小于±0.01℃。

图9 温控曲线

图10 滤波前后对比

图11 偏置锯齿正弦叠加

设计的LTC1064级联为四阶滤波系统，有效滤除驱动信号的干扰。本设计从温度控制和驱动信号滤波两方面为激光器提供了稳定的工作环境。实验结果证实，该系统可根据不同的工作环境实现不同的恒温控制目标，工作稳定且可靠性高，具有一定的参考价值和应用前景。

[1] 窦贺鑫.基于TDLAS的气体在线检测系统研究[D].天津:天津大学,2007.

[2] 李金义.半导体激光器的宽频快速调谐及其在气体检测中的应用[D].天津:天津大学,2010.

[3] 王小淘.基于FPGA的激光测距系统研究[D].西安:西安工业大学,2013.

[4] 张志荣,夏滑,董凤忠,等.利用可调谐半导体激光吸收光谱法同时在线监测多组分气体浓度[J].光学精密工程,2013,21(11):2771～2777.

[5] Castillo S G,Ozanyan K B.Field-Programmable Data Acquisition and Processing Channel for Optical Tomography Systems[J].Review of Scientific Instruments,2005,76(9):5109～5113.

[6] 刘军.例说STM32[M].北京:北京航空航天大学出版社,2011:134～149.

[7] 彭刚,秦志强.基于ARM Cortex-M3的STM32系列嵌入式微控制器应用实践[M].北京:电子工业出版社,2011:213～220.

[8] 孙冬娇,刘清惓,夏江涛.TEC的半导体激光器恒温控制系统设计[J].机械与电子,2014,(8):52～55.

[9] 方益喜,雷开卓,屈健.采用PT1000铂电阻的高精度温度测量系统设计[J].自动化信息,2011,(6):83～85.

[10] 林志琦,张洋,郎永辉,等.采用半导体激光器自身PN结特性测温的半导体激光器恒温控制[J].发光学报,2009,30(2):223～227.

[11] 韩云杰,刘宇红,包化伟.对多路数据采集存储的设计实现[J].电子科技,2014,27(6):135～142.

[12] 董鸣.AD7793在高精度温控设备中的应用[J].电子技术,2012,(8):36～38.

[13] 陈晨,党敬民,黄渐强,等.高稳定、强鲁棒性DFB激光器温度控制系统[J].吉林大学学报(工学版),2013,43(4):1004～1010.

[14] 黄岳巍,崔瑞祯,巩马理,等.基于TEC的大功率LD恒温控制系统的研究[J].红外与激光工程,2006,35(2):143～147.

[15] Larrue A,Bouchard O,Monmayrant A,et al.Precise Frequency Spacing in Photonic Crystal DFB Laser Arrays[J].Photonics Technology Letters IEEE,2008,20(24):2120～2122.

[16] 胡鹏程,时玮泽,梅健挺.高精度铂电阻测温系统[J].光学精密工程,2014,22(4):988～995.

[17] 王庆平.用C语言实现数值计算方法及程序实例[M].北京:人民邮电出版社,1999:196～220.

[18] 单财良,鲁千红,罗玉文,等.基于LTC1064的多功能程控滤波器设计[J].空军预警学院学报,2010,24(1):47～50.

LaserDriverCircuitforTDLASDetectionSystem

LIU Song-bin1, ZHAO Yu1, WANG Wei2, LI Jing-na2

(1.CollegeofElectricalEngineeringandInformation; 2.TrainingCenterforElectricPowerVocationalTechnology,CNPCDaqingOilfield)

Considering the temperature variation’s effect on both laser wavelength and working stability of the semiconductor laser (LD), applying thermoelectric cooler(TEC) to constitute a secondary refrigerating system was proposed to control both external and internal temperatures of the laser respectively and precisely. Through adopting closed-loop PID circuit to produce a signal to control TEC’s drive current and direction, both refrigerating and heating operation can be realized; in order to filter the drive signals, adopting cascaded LTC1064 to constitute a four-order filtering system was put forward. Test result shows that, the TEC temperature control system has good control effect, fast response and± 0.01 ℃ precision and the filtering system can effectively eradicate DC component’s interference from the sine wave and that from the higher harmonic to satisfy laser’s requirements for both temperature and driving signals.

laser, TEC, temperature, filter, LTC1064

刘松斌(1970-)，副教授，从事电力电子与电力传动的研究。

TH811

A

1000-3932(2017)03-0279-06

联系人赵宇(1992-)，硕士研究生，从事电力电子与电力传动的研究，1045090829@qq.com。

2016-03-14，

2016-09-14)