可調頻信號控制的光纖激光器驅動電路設計

張雪蓮，黃榜才，張 鵬，李 巖，王曉龍，張培培，龍潤澤，韓桂云，王 寬，梁小紅

(中國電子科技集團公司 第四十六研究所，天津300220)

可調頻信號控制的光纖激光器驅動電路設計

張雪蓮，黃榜才，張 鵬，李 巖，王曉龍，張培培，龍潤澤，韓桂云，王 寬，梁小紅

(中國電子科技集團公司 第四十六研究所，天津300220)

為實現大功率光纖激光器的智能化控制，提出一種由外圍信號控制激光器輸出功率大小的驅動電路設計。系統以STM 32F407ZG為主控芯片，通過調節外圍信號的頻率與幅度來控制激光驅動電流的大小，從而達到對激光輸出功率的控制。整個系統能對激光器泵源溫度及電流實時監測并保護，電流輸出精度可達到±0.01A，保證了激光器穩定、可靠地工作。

大功率；STM 32F407ZG；頻率與幅度；實時監測

0　引言

隨著光纖制造工藝與半導體激光器生產技術的日趨成熟，光纖激光器已經應用于諸多領域[1]。光纖激光器由泵浦源、增益介質和諧振腔三個基本要素組成。泵浦光經適當的光學系統耦合進入增益光纖，增益光纖在吸收泵浦光后形成粒子數反轉或非線性增益并產生自發發射，所產生的自發發射光經受激放大和諧振腔的選模作用后，最終形成穩定激光輸出[2]。由于光纖激光器由驅動電流直接調制輸出參數 （頻率、脈寬、脈沖波形及功率大?。?，實現不同強度光輸出，使得對電流、溫度有著極高的要求[3]，因此設計一套能精確控制激光器工作電流輸入，并能對電流和溫度變化實時檢測的高效、智能化系統十分重要。本文通過調節外圍信號頻率和幅度來控制激光驅動電流的大小，從而達到對激光功率輸出模式的控制。

1　外圍信號

外圍控制信號的模式有連續輸入和脈沖輸入兩種，使能信號均為0～24V直流DC。在連續模式下，調制信號幅值為24V直流信號；在脈沖模式下，控制信號頻率為0～5kHz，幅度為0～24V，占空比Duty為0～100%。外圍信號類型、模式與激光器功率控制關系如表1所示，當0～10V模擬電壓輸入時，激光輸出功率為0～100%，電流為0～20A。

表1　外圍信號與激光器功率控制關系

2　總體方案設計

本系統主要分為三個部分：光纖激光器工作電流驅動、采集及過流保護模塊；光纖激光器溫度采集及保護模塊；主控模塊與上位機通信模塊?？傮w方案設計流程如圖1所示，整個系統通過主控芯片STM32F407ZG及其外圍控制電路結合外圍信號的產生與中斷，實現激光器平均功率、峰值功率、脈沖頻次和脈沖寬度等參數的調節。主控模塊主要負責控制光纖激光器電流傳輸及通過傳感器采集溫度信號，并將采集到的電流及溫度對應的電壓信號經STM32F407ZG內部PID算法處理后，通過串口MAX3232與上位機通信，實現對溫度及電流信號的實時監測及保護。本設計的主控芯片是意法半導體ST公司以ARM CortexTM-M4為內核專門開發的最新嵌入式處理器，支持所有ARM單精度數據處理指令和數據類型的單精度浮點單元（FPU），主頻高達168MHz，可提供3個12位ADC、2個DAC、1個低功耗RTC、15個通訊接口，廣泛應用于控制及信號處理功能混合的數字信號控制系統[4]，滿足本設計要求。

圖1　總體方案設計流程圖

3　電路基本工作原理

3.1電流控制模塊設計

電流驅動控制模塊[5]設計如圖2所示，外部輸入0～10V模擬電壓經隔離濾波和分壓后，送入主控模塊STM32F407ZG自帶的模數轉換器ADC計算出對應值PD0～11，再經12位數模轉換器TLV5619處理后輸出恒流源所需模擬電壓信號0～2Voutput，即，此處由基準源TL431提供參考電壓REF，因此0～2V輸出由外部輸入的PD0～11大小code決定。為更好地提高光纖激光器工作性能，由外圍信號及主控模塊聯合控制多路模擬開關LV4051的導通而輸出模擬電壓信號0～2Voutput，同時為抑制噪聲對模擬和DA變換電路的干擾，提高DA轉換精度，外部使能EN和調制信號MC的輸入采用高速光耦6N137隔離輸出EN_C和MC_B，避免了信號的延遲或變形。

圖2　電流控制模塊電路圖

3.2恒流源及過流保護模塊設計

本文在基本恒流源[6]的基礎上設計了高精度、穩定的自適應恒流源，如圖3所示，通過控制功率MOSFET管Q1、Q2的導通為高功率光纖激光器提供工作所需大電流I，并采用小阻值康銅電阻RS1來降低大電流產生熱量。圖3中DA-U是控制模塊提供的0～2V輸入，調節VR1可得到0～20A任意工作電流值I，此時。同時將電流反饋回Q1、Q2基極，比較器LM2902N(U1B)根據反饋電流大小自適應調節輸出，提供穩定基極電壓，保證了最終輸出電流的穩定。

圖3右邊部分為過流保護模塊，調節VR6使電流I的最大報警限值為VR70，以設定最大工作電流對應電壓為VA1；若VRS1超過VR70，則VA1即超過2.5V，比較器LM2902N輸出高電平S1使場效應管2N7000導通，從而拉低基極電壓中斷光纖激光器工作電流輸出；同時，主控模塊采樣電壓VA1，并根據其值判斷過流與否；過流，則下發信號SW，中斷工作電流，提高了系統工作安全性能。

圖3　恒流源及過流保護模塊電路圖

3.3溫度控制模塊設計

圖4　溫度控制模塊電路圖

4　主控模塊軟件設計

電路主控模塊軟件設計如圖5所示，上電，初始化完成嵌入式系統包括串口、I/O口、內部ADC、時鐘及中斷等配置[8]，接入外圍信號，選擇調制信號MC的頻率、幅度及占空比，開使能信號EN(0～24V)及0～10V功率控制信號DA_IN，主控模塊與上位機通信判斷激光器光源工作模式。若為內部模式，則進行相應配置，此處暫不介紹；若為外控模式（即外部可調頻信號控制）且激光器當前工作狀態正常，主控模塊對外控功率分析處理后輸出0～2V電壓，控制恒流源模塊產生0～20A電流。同時，采集激光器當前工作電流及溫度送上位機實時顯示監測，并根據采集數據完成相應的控制：若工作電流過大，則產生報警信號，主控模塊STM32F407ZG收到報警信號則關LV4051，并下發控制信號SW使恒流驅動模塊停止輸出工作電流；若工作過程中激光器溫度過高，則產生報警信號T1_CMP= 0，同理讓主控模塊關LV4051，并下發SW，阻止了激光器的損壞，提高系統工作性能。

圖5　STM32F407程序流程圖

5　實驗結果

外圍信號控制激光器工作于脈沖模式時，設定調制信號MC的頻率為5kHz，幅度為0～5V，50%占空比duty；輸入功率100%，即DA_IN=10V；使能為24V，主控模塊接收外圍信號處理后啟動激光器工作，此時輸出的0～2V功率控制信號Voutput波形如圖 6所示。Voutput=2V×duty×(10DA_IN)%，因此調節 MC信號及DA_IN可以控制輸出不同功率，按設定有2V×50%× 100%=1V，即圖6中平均值。同理，外圍信號控制激光器工作于連續模式時，調制信號MC為24直流DC，則Voutput=2V×(10DA_IN)%。

連續模式，激光器100%功率工作時電流為9.6A，最高溫度為26.6℃。圖7為上位機連續采樣到的100個電流（步進5min）及溫度值曲線圖，從圖中可以看出，激光器工作時實時監測溫度穩定；輸出電流波動小，精度為±0.01A。

圖6　功率控制信號Voutput波形圖

圖7　電流及溫度實時監測曲線圖

6　結束語

我們通過以上實驗證明，本文中的設計電路結構簡單、轉換效率高、性能穩定，能精確控制光纖激光器輸出功率，并能對電流、溫度變化實時監測和保護。電流輸出精度可達到±0.01A，負載激光器工作溫度穩定符合要求，本設計已成功應用與大功率光纖激光器驅動電路系統。

[1]黃榜才.高功率全光纖激光器及放大器中關鍵問題的研究[D].天津：南開大學,2008：26-27.

[2]段云鋒,黃榜才,張鵬,等.全光纖結構的脈沖光纖放大器[J].中國激光, 2007,34(10)：1379-1382..

[3]任軍江,朱源,陳錢龍,等.溫度對光纖強度特性影響的初步研究[J].光纖與電纜及其應用技術,2014,1(1)：8-9.

[4]STMicroelectronics website.The whole STMicroelectronics STM32TMfamily[EB].(2013-6-4)[2015-12-15].http://www.ic37.com/STMICROELECTRONICS/STM32F405IGT6_datasheet_12724191/.

[5]董陽,陳海燕,程昌彥，等.低功率 980nm波長半導體激光器驅動電路設計[J].現代電子技術，2014,37(13)：119-121

[6]鐘乃元,高飛.大電流高精度恒流源[J].電子測量技術,2007,30(9)：177-178.

[7]SHI S G,SHI X.The temperature control system based on digital PID and potentiometer[J].Journal of Wuhan Polytechnic University,2005,3(1): 31-34.

[8]曾浩.基于STM32F407的嵌入式機器視覺裝置研發[D].番禺：廣東工業大學,2015：38-60.

Design of fiber laser driver circuit controlled by adjustable signal

ZHANG Xue-lian,HUANG Bang-cai,ZHANG Peng,LI Yan,WANG Xiao-long, ZHANG Pei-pei,LONG Run-ze,HAN Gui-yun,WANG Kuan,LIANG Xiao-hong
(The 46th Research Institude of CETC,Tianjin 300220,China)

In order to achieve the intelligent control of high power fiber laser,this paper presents the design of fiber laser driver circuit.The system takes STM32F407ZG as the main control chip.the laser driven current controls by adjusting the frequency and amplitude of the peripheral signal,so as to control the laser output power.It can acquisition and protect temperature and current of the laser pump in real time.The output precision of the current can reach±0.01A,which ensures the stability and reliability of the laser.

highpower,STM32F407ZG,frequency-amplitude,acquisition

TN86

A

1002-5561（2016）05-0059-04

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.05.018

2015-12-28。

天津市科技支撐計劃國際科技合作項目（14RCGFGX00852）資助。

張雪蓮（1989-），女，助理工程師，主要從事光纖激光器驅動電路的研究。