高精度输出半导体激光器的温度控制系统设计
高精度激光器温度检测系统的设计
励恒流源， 确保自发热误差小于电路测量和系统 要求精度是很必要的。NTC 耗散系数 δ 的计算式 为：
U TH ˑ I TH δ= Tb － Ta
式中
I TH — — —流经 NTC 的电流； Ta — — —环境温度； Tb — — —实际稳定温度； U TH — — —端电压。
等， 使之与 AD7793 的时序相匹配
图3Biblioteka 通信流程= 0． 001ħ
该温升远小于激光器允许的温度波动范围和 检测系统的测量精度， 满足设计要求。 NTC 阻值 与温度 呈 非 线 性 反 比 例 关 系， 且 满 足 Steinhart［7 ］ Hart 方程 ：
1 / T = C1 + C2 ˑ lgＲ + C3 ˑ lg（ Ｒ）
3
考虑到 DSP 的移位寄存器只有 16 位储存空 间， 无法满 足 对 24 位 AD 转 换 数 据 的 一 次 性 存 储， 因此将存储模式设置为 8 位 SPI 通信字长， 分 3 次完成对一个 AD 转换数据的储存。 如图 4 所 示， 经过配置后的 DSP 处理器可实现与 AD7793 的正常 SPI 通信。 2． 2 液晶驱动 液晶显示作为系统的输出模块， 要求系统具 有较高的同步性和实时性， 实现对检测数据的直 观展示。 选用 OCMJ8X15D 字符型液晶显示屏， 通过 DSP 的 GPIO 引脚完成驱动显示， 数据通信 通过 8 位 I / O 口并行传输。根据液晶显示器的时 序要求设计了定时器周期中断时间， 传输到 DSP 中的数据经过滤波、 换算等数字处理后转化为所
近年来， 高精度温度测控技术在工业、 科学研 究及农业等领域得到了广泛应用 。然而以激光器 为主要组成的有害气体检测系统， 对温度检测精 度提出了更高要求。 根据朗伯 － 比尔定律， 在有 害气体检测过程中， 需通过调节激光器的中心波 长， 使之与待测气体的吸收峰相匹配 ， 再根据对光 的吸收程度计算有害气体浓度。半导体激光器的 中心波长与工作电流和环境温度有关， 保持工作 电流不变， 其输出波长随温度变化的范围为0． 3 ［1 0． 4nm / ħ ］。因此， 为了确保激光器正常工作， 输 出稳定的中心波长 ， 环境温 度 波 动 范 围 需 控
高精度半导体激光器温控系统的设计与实现
高精度半导体激光器温控系统的设计与实现高平东;张法全【摘要】To solve the problem that stability of radiation wavelength and luminous intensity of a laser diode were affected easily by temperature , a high precision laser diode temperature control system was designed . Temperature acquisition circuit was designed by means of AD 620 andLTC1864 and temperature control circuit by MAX 1968 and LTC1655.The whole system was controlled accurately by a TMS 320F2812controller.Adaptive fuzzy proportion-integration-differentiation control strategy was proposed and the software was achieved .At the environmental temperature around 15℃, control precision of temperature was up to ±0.05℃ when the target temperature was set to 25℃ and 20℃ respectively. Experimental results show that the temperature control system has the advantages of fast response and high stability .%为了使半导体激光器辐射波长和发光强度的稳定性不受环境温度的影响，设计了一款高精度半导体激光器温控系统。
高精度输出半导体激光器的温度控制系统设计
输
体光的度制统计 激器温控 系设
章朝阳
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喜 嚣
堂
Ｔ ｅ Ｄ ｓ ９ ｆ ｒ ａ Ｈ ９ ｒ ｃ ｓ ０ ｅ ｐ ｒ ｔ ｒ ｙ ｔ ｍ ｈ ｅ ｉ ｎ ｏ ｉ ｈ Ｐ ｅ ｉ ｉ ｎ Ｔ ｍ ｅ ａ ｕ ｅ Ｓ ｓ ｅ
汁
Ｋｅ ｗｏ ｄ ：Ｌ ｓ ｔ Ｄ ｏ ｅ： Ｔ ｍ ｅ ａ ｕ ｅ Ｃ ｎ ｒ ｌ ｇ ｖ ｒｓ ａ ｅ ｉ ｄ ｅ ｐ ｒ ｔ ｒ ｏ ｔ ｏ ｉ １ｎ
０ 弓言 Ｉ 随着光纤通信向着小型化、 集成化发展， 掺铒光纤放大 器 （ Ｆ） ＲＭＮ 大器 的பைடு நூலகம்用越来越广泛， Ｅ Ａ和 ＡＡ 放 Ｄ 要求半导体激
将Ｌ 的温度反馈到输入端， Ｄ 经过差动放大和缓冲隔离后送入 ＰＤ Ｉ控制器， 通过控温执行元件实现温度控制【。 ２ 测温部分用 】 具有高灵敏 度的负温度系数的热敏电阻 （Ｔ） Ｎ Ｃ作为温度传感
器， 将实际温度与设置温度值相减 ， 差值送 ＰＤ 制器 驱动 Ｉ控 温控执行部分 。用 Ｔ Ｃ Ｅ 作为 制冷器件 ，Ｔ Ｃ用乙类双电源互 Ｅ 补对称 功率放 大电路 驱动。 １ １温度 ／ ． 电压 转换 电路 进行精 密温控的前提条件是能够高精 度高分辨率的检测 温度值 。 本文 中的温控装置用于激光器 ， 温控 精度要求达到 ±Ｏ０１，因此相 应的测温分辨率至少应高 出一个数量级 。 ．２ Ｃ 通 常的集成温度传 感器或半 导体温度传感 器达不 到如此精 度， 热敏 电阻具有较高的温度系数 ， 但非线性很大 。由于 Ｌ Ｄ体积 非常小 ， 以，测温器件也要很小 。 所 采用半导体工艺 制成的薄膜铂热敏电阻器 ， 不仅体积 小 （ 以做 到２Ｏ ｍ ｘ 可 ．ｍ ２５ ． ｍｍ １１ ｘ ．ｍｍ） 而且具有很好的灵敏度和 稳定性 ， ， 它 将 温度的变化转化 为电阻值的变化， 在不 太宽的温度范围 内 （０ １ ２ ０Ｃ以下） ，其 电阻与温度的关系可 以表示 为 ： Ｒ Ｒ ［一ｏ （ ＝ 。 １ 【 ０， ０ ） 】 式中 ： 。 ０ Ｒ 为 时的电阻值 （ ： 为选 定温度，一般 Ｑ） ０。 为 ０Ｃ ０ 时的 电阻值 ； ｏ １ ；Ｒ 为 。 【 为温度系数 。测温电路如 图一所示， 采用桥路放 大采样。 为了很好 的使 热敏 电阻 （ｔ Ｒ） 的变化与输出的电压 线性化， 电路 中设计 ＴＲ与 Ｒ 并联。 ｔ 电 桥由 Ｒ 、Ｒ 、Ｒ 、Ｒ 、Ｒ 组成。因此，Ｒ 上的电压变化就 １ ２ ３ ４ ｔ ｔ
用于半导体激光器的温控电路设计
Ｄｅ ｉ ｎ ｏ ｅ ｐ ｒ ｔ ｒ ｏ ｒ ｌｃｒ ｕｉ ｆ ｒ ｌ ｓ ｒ ｄ ｏ ｓｇ ｆｔ ｍ ｅ ａ ｕ ｅ ｃ ｎｔ ｏ ｉ ｃ ｔ ｏ ａ ｅ ｉ ｄｅ
Ｈ ａｇ Ｚ Ａ Ｇ Ｙ － ｎ Ｙ ｉ － ａ Ｕ Ｙｎ， Ｈ Ｎ ａｕ， Ｕ Ｊ ｑ ｎ ｊ ｎ ｕ
ｃｒｕ ｔ ｉｃ ｉ ｗａ ｕ ｅ ｔ ｅｉ ｎ ｔ ｖ ｌ ｇ ｔ ｍｐ ｒ ｔｒ ｎ ｎ ｉｅ ｒ ｒｏ ｉ ｓｅ ｄ ｆ ｏ ａ Ｈ ・ ｒｄ ｅ ｉｃ ｉ． ｓ ｓ ｄ ｏ ｌｍｉ ａｅ ｏ ｔ ｅ—ｅ ｅ ａｕ ｅ ｏ ｌ ａ ｅｒ ｒ ｎ ｔａ ｏ ｎ ｒ ｌ ａ ｎ ｍ ｂ ｇ ｃｒ ｕｔ ｉ
胡 杨， 亚军， 张 于锦 泉
（ 国 工 程 物 理 研 究 院 流 体 物 理 研 究 所 ， 川 绵 阳 ６ １０ 中 四 ２ ９ ０） 摘 要 ：针 对 半 导 体 激 光 器 （ Ｄ） 光 稳 定 的 应 用 要 求 ， 计 了一 种 有 效 的 温 度 控 制 电 路 。电路 基 Ｌ 出 设
（Ｅ ） Ｔ Ｃ ，实现 了对 Ｌ 工 作 温 度 的 高精 度 控 制 。 通过 测 试 ，Ｄ 工 作 温 度 在 ｌ ｎ内达 到 设 定 温度 ，０ｍ ｎ Ｄ Ｌ ｍｉ ３ ｉ 内 ． ２ ℃ 的 工 作 温 度 下 稳 定 度 达± ． 。 结 果 表 明 ： 电路 能 快 速 、 效 地 控 制 Ｔ Ｃ 工 作 ， 到 稳 在 ５ ０２℃ 该 有 Ｅ 达
ｔ ｍｐ ｒｔ ｒ Ｐｅｆ ｒ ａ ｃ ｔ ｓ ｓ ｏ ｄ ｈ ａ ＬＤ ｗｏ ｋ ｎ ｔｍ ｐ ｒ ｔｒ ｒ ａ ｈ ｄ ｈ ｓ ｔ ｏｎ ｔｍ ｐ ｒ ｔｒ ｅ ｅ ａｕ ｅ． ｒｏ ｍ ｎ ｅ ｅ ｔ ｈ ｗｅ ｔ ｔ ｒ ｇ ｅ ｅａｕ ｅ ｅ ｃ ｅ ｔ ｅ ｅ ｐ ｉｔ ｅ ｅ ａ ｅ ｉ ｕ
高精度半导体激光器自稳温控系统讲解
电子科技高精度半导体激光器自稳温控系统中国工程物理研究院流体物理研究所(绵阳621900 江孝国祁双喜王伟摘要文章介绍了一套精密的温度控制系统, 该控制系统采用PID 控制器的原理, 对发热功率为10～30W 的半导体激光器的控制效果良好, 控温的稳定度可小于±0. 1°C 。
关键词PID 控制器热电偶冷却器参数整定半导体激光器在民用及国防上的重要作用已得到广泛的应用, 但半导体激光器在工作时产生的大量热量, 不仅会使器件温度升高, 造成器件的性能下降, 严重者甚至烧毁半导体激光器, 因此, 激光器的散热是重要的, 为了保证器件性能的稳定及寿命, 将器件工作温度在一定的范围内以较高的稳定度稳定在比较低的水平上也同样重要[1]。
本文针对这种高精度的要求, 研制了一套精密的半导体激光器的温度控制系统。
该温度控制系统采用了传统的PID 调节原理, 针对系统的热传导特性, 在参数整定方面作了相应的改进, 达到了很好的控制效果, 不仅超调量小, 并且进入稳定区的时间短, 抗干扰能力也比较强。
该温度控制系统应用于10～30W 的发热负载的温度控制时, 可以在18～25图1PID 控制原理V (t , 实现对受控系统进行自动控制的目的, 它是一种线性调节器。
这种控制原理的优点是不要求知道受控系统的精确数学模型, 因此, 在自动控制领域中得到了广泛的应用。
由上可知, 要构成一个PID 控制器, 需要确定K p 、T i 、T d 三个参数; 确定这三个参数的过程称为PID 参数整定; 并且, 三个参数直接影响系统的控制性能。
°C 的温度范围内达到小于±0. 1°C 的稳定度, 起到了良好的控制作用。
本文主要介绍半导体温度控制器的PID 参数整定及改进等方面的工作。
2PID 参数的整定毫无疑问,PID 控制器的参数的整定应该根据实际系统的特性来进行, 一般有凑试法[2]及Ziegler 2Nichols 经验公式法[3]等。
半导体激光器温度控制系统的设计
第28卷第1期长春理工大学学报Vo l 128No 112005年3月Journal of Changchun University of Science and Technology M a r .2005 收稿日期:2004-06-10 基金项目:863计划项目(03014) 作者简介:王肖飞,男(1979-),硕士研究生,主要从事半导体激光器数字电源和数字温控方面的研究半导体激光器温度控制系统的设计王肖飞1,2 伊红晶1 钱龙生1(11中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春 130022;21中国科学院 研究生院,北京 100039)摘 要:设计了一种利用单片机控制的半导体激光器温控系统。
该系统通过对激光器中晶体和LD 温度的实时采集和控制,使激光器工作于最佳温度点,从而减小了因温度的不稳定而造成的半导体激光器输出功率不稳定、输出波长发生漂移等不良影响。
实验数据结果表明该系统的温度控制精度优于±012℃关键词:半导体激光器;温度控制;单片机中图分类号:TP36811 文献标识码:A 文章编号:1672-9870(2005)01-0020-03D esign of a Sem iconductor La ser Tem pera ture Con trol SystemWAN G X iaofei1,2 Y I Hong jing 1 Q I AN L ongsheng1(11Changchun Institute of O ptics,F ine M echan ics and Physics,Chinese A cade m y of S ciences,Changchun 130022;21Gragua te S chool of S ciences A cade m y of Ch ina,B eijing 100039)Abstract:A sem iconductor laser temperature contro l system is designed based on single chip p rocesso r con tro ller .The temperture of crystal and LD is real -ti m e samp led and p rocessed,and this system could m ake sem iconductor laser work on its best temperature point.The output power variety and outp ut wavelength shift of sem iconducto r laser caused by temperature unstability can be eli m inated .The experi m ental result indicated that the p recision of temperature could reach to ±0.2℃.Key words:sem iconductor laser;temperature contro l;single chip p rocessor 随着激光技术的发展,半导体激光器基于其体积小,重量轻,效率高等优点,越来越显示出其特有的优势和应用前景。
半导体激光器温度控制模块的设计
实现进行 了分析 。测试结果表明本模块也适用于其它类型半导体器件的工作温度控制 。
关键 词 ： 温度 ； 半导体激光器； 双温度测试 ； 控制
・
中图分 类号 ：Ｎ ４ Ｔ ２８
文献标 识码 ： Ａ
文章 编号 ：０４１９ （０ ６０－０ ９０ １０－６ ９２０ ）４１０ －３
自 １７ ９０年光纤 的损耗性能和半导体激光器性 能取得重大 突破之后 ， 光纤通 信进入实用化 时代。 半导体激光器作为一种以半导体材料为工作物质的 激光器 ， 是光纤通 信的重要光源。半导体激光器 的
应用覆 盖 了整个 电 子学 领 域 ， 己成 为 当今 光 电 子科 学的核心技术 。由于半导体激光器 的体积小 ， 结 构简单 、 输入能量低 、 寿命较长 ， 易于调制及价格低
高呈指数增长 。为保证稳定的发光性能 ， 必须采取 措施对 Ｓ Ｉ芯片工作环境的温度进行控制 。一般采
用组 件 方 式 ， 件 由 Ｓ 芯 片 、 导 体 制 冷 器 及 热 组 Ｌ 半
ｆ ｒｏ ｈ ｒｓ ｍｉｏ ｄ ｃｏ ｅ ｉｅ ｏ ｔ ｅ ｅ ｃ ｎ ｕ ｔ ｒｄ ｖｃ ．
Ｋｅ ｒ ｓ ｔｍ ｐ ｒ ｔ ｒ ； ｅ ｉｏ ｄ ｃｏ ａ ｅ ； Ｌ ； ｕ ｌ ｅ ｐ ｒ ｔ ｒ ｅ ｔｃ ｎ ｒ ｌ ｙｗｏ ｄ ：ｅ ｅａ ｕ ｅ ｓｍ ｃ ｎ ｕ ｔ ｒｌｓ ｒ Ｓ ｄ ａ ｍ ｅ ａ ｕ ｅ ｔｓ ｏ ｔｏ ｔ ＥＥ ＡＣＣ： ２ ０ ７ ２ Ｒ ４ ３ Ｊ； ３ ０
（ ｃ ｏｌ ｆＥｌｃｒｎｃａ ｄ ｉｆ ｒ ａｉｎＥ ｇ ｎｅｒｎ Ｔａ ｊｎＵ ｉｅｓｔ Ｔａ ｊｎ３ ０ ７ ， ｈｎ ） Ｓｈ ｏ ｅｔｏ ｉ ｎ ｎ ｏ ｍ ｔ ｎ ｉｎｅｉｇ， ｉｎ ｉ ｎｖｒｉ ｏ ｏ ｙ， ｉｎｉ ０ ０ ２ Ｃ ｉａ
半导体激光器的高精度温度控制优化设计
１ 激光器温度特性
温度特性主要影响到 Ｌ Ｄ的平均 发送光功率 、 Ｐ Ｉ 特性 的线 性及 工 作 波 长 。 当温 度 增 加 时 ，Ｄ 的 Ｌ
—
平均发送光功率就会下 降 ， 例如 １ １ｎ ３０ ｍ波段光源 平均 发 送 光 功 率 随 温 度 的 变 化 率 约 为 一０ ．
一
１ ）根据实际情况 ， 人为设定阈值 占 ０ ＞；
１ 一 ６
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２ ）当 Ｊ ｒ （ ） ＞ 时， ｏ ｜ Ｊ ｅ ｒＩ ｒ ｝ 采用 比例 、 积分控制即
Ｐ Ｄ控制 ， 可避免产生过大的超调 ， 又使 系统有较快 的响应 ；
制器给控制对象的控制输出， 从而使得控制对象的过
制冷 或加 热 ， 而 为保 持 激 光 器 的温 度 恒 定 提供 了 从 必要的保证。其具体实现步骤如下 ：
２ 激 光 器 温 度 测 量 、 制 工 作 原 理 控
半 导 体激 光器 恒 温 控 制 系统 结 构 如 图 １所示 ， 该 系统 由温 度检 测 与采 样 保 持 部 分 、 央处 理 器 部 中 分 、 制策 略 与温控 驱 动部 分 、 冷 驱动 部分 和通讯 控 致 显示 部分组 成 五个 部分 组 成 ：
中 圈分类号 ：Ｐ ７ Ｔ ２２ 文献标识码 ： Ａ
０ 引言
半导体激光 器具有 体 积小 、 量轻 、 入 电压 小 、 重 输
温 控系统
制冷 加热 双 向制冷
苴
片 机
结构简单、 寿命长、 转换效率高、 功耗低、 结构简单、 价
格低廉、 使用安全、 易于调制 等有利因素， 现代光纤 通讯系统 均使 用半 导 体光 源 器件 。１１ｎ 尾纤 型 激 ３０ｍ
半导体激光器的温控电路设计
作 电压 为 ２ ８—５ ５ ． 于 它 工 作 在 ． ．Ｖ 由
图２ Ｍ ７２ Ａ Ｃ８０内部结构框图
Ｐ ＷＭ调制模式下 ， 并且具有低输 出电阻 ， 从而使它的内部耗散功率极低 ， 不容易发热． Ｒ ５ １ Ｄ Ｖ ９ 内部 Ｐ ＷＭ调 制频率可以由外部元件选定工作在 １０ Ｈ ０ Ｋ Ｚ模式或者 ５０ Ｈ ０ Ｋ Ｚ模式， 电压增益约为 ２３ ／ ． ．Ｖ Ｖ
源 流人 热敏 电阻 ， 热敏 电阻 上产 生 代 表 温度 的 电压 ， 电压 经 过 电压 跟 随 器放 大 电流 ， 大 后 进 人 Ｏ Ａ 在 该 放 Ｐ７ 的异 名端 ， Ｐ ７和一 个包 含两 个 电容 一个 电阻 的 Ｒ 网络 构成 一 个 误 差放 大器 ， 误 差 放 大器 把 单 片 机设 ＯＡ Ｃ 该
十 收 稿 日期 ：０ ０— ３—１ ２１ ０ ８
作者简介 ： 陈建萍 （９ １ ， ， １８ 一） 女 赣南师范学院物理与电子信息学院教师、 硕士 ， 主要从事半导体器件及材料
第 ３期
陈建 萍 ， 润华 刘
半 导体 激光 器 的温控 电路 设计
７ ５
一 Ｓ
图３ Ｄ Ｖ ９ Ｒ ５ １内部 结 构 框 图
器进 行精 密 的温 控． 常 ， 导体激 光器要 求工 作在 ２ ￣ 通 半 ５Ｃ状态 ， 要求 正负 ０ １ 的恒 温精 度． ．℃ 半导 体激光 器 内 部通 常封装 Ｔ Ｃ制冷 片 和热敏 电阻 ， 需外 接元 件． Ｅ 无 本文 针对 半导 体激光 器 的工 作需 要 ， 出一种 基 于硬件 提
定的温度值和实际检测 到的温度值 进行 比较 放大 ， 比较后 的结果经过 Ｄ Ｖ ９ 放 大 ， 大后 的信号驱 动 Ｒ ５１ 放 Ｔ Ｃ， Ｅ 改变 Ｔ Ｃ温控 面 的温 度 ． Ｅ 如果 Ｔ Ｃ温 控 面 温度 和 单 片机通 过 Ｄ Ｅ Ａ转 换 器设 置 的温 度一 致 ， 差放 大 器 误 将会 输 出 ０信 号 ，Ｅ Ｔ Ｃ处 于空 闲状 态 ； 当受 到 环境 温度 微 扰后 Ｔ Ｃ温控 面温 度会 产 生 变化 ， 时 误差 放 大器 Ｅ 此 会放 大该 误差 并将 结 果反 映为 Ｄ Ｖ ９ Ｒ ５ １的输 出 ， 制流 过 Ｔ Ｃ的电流 ， 统 温度 最后 会稳 定 在 Ｄ Ｃ的输 出 控 Ｅ 系 Ａ
半导体激光器自动温度控制电路设计
半导体激光器自动温度控制电路设计【摘要】本文对用于通信设备的半导体激光器温度控制电路进行了模型建立和分析，并从自动控制的角度对温控电路形式进行了详细的性能指标分析和测试，通过对不同的控制方法的仿真分析和实测数据的对比得出了一种较为有效的温度控制电路，可以满足一般温控系统的要求。
【关键词】温度检测；自动温度控制；TEC在光纤通信领域，通常使用半导体激光器作为光源，而半导体激光器的发射波长与管芯的温度密切相关，温度升高将导致波长变长（一般为0.1nm℃），对于一般的单波长光通信系统来说，波长的漂移对系统性能并无太大影响。
但对于密集波分复用系统（DWDM），由于通道间的波长间隔已经很小，保持波长的稳定就变得非常重要。
例如，工作在C波段的32波系统，通路波长间隔为100GHz （约0.8nm），而工作在C+L波段的160波系统，通路波长间隔为50GHz（约0.4nm）。
因此，如果不对激光器管芯的温度加以控制，微小的温度变化将导致整个系统的不可用。
另外，半导体激光器是对温度敏感的器件，其阈值电流、输出波长以及输出光功率的稳定性都对温度非常敏感，其工作寿命也与其工作温度密切相关。
实验表明，温度每升高30℃激光器的寿命会降低一个数量级[1]-[4]。
对于可靠性要求高的场合，且保证激光器的寿命就需要对管芯温度加以控制，这样在系统中就需要附加一个自动温度控制电路（ATC）来实现对激光器管芯的温度控制。
1.温度控制系统原理2.热模型的建立一般带致冷激光器的常见结构是首先将激光器、背光管、热敏电阻等组件安装在一个子热沉上，然后再固定到TEC制冷器上，当温控电路正常工作时，位于TEC上的子热沉将恒定在某一设定温度值。
当给TEC致冷器通不同极性的电流时能够分别实现致冷或致热，无论处于致冷还是致热状态，温度都不会突变，而是一个缓慢变化的过程。
而在一定的电流下，当时间足够长时由于外界的热交换达到了平衡状态，温度将维持在某一个值（即与壳体间的恒定温差）。
半导体激光器的精密温控系统的设计
半导体激光器的精密温控系统的设计作者：黄建兵来源：《科技创新与应用》2013年第20期摘要：进入新世纪以来，随着我国市场经济的高速发展，我国的光电技术也得到了快速的发展。
现阶段，激光器在我国的测量、国防以及医疗等众多领域中都得到了广泛的应用，同时这也对激光器的输出功率的波动范围以及输出波长的稳定程度提出了更高的要求。
本文便分析了一类大功率的半导体激光器的精密Fuzzy+PI温控系统的设计工作，在半导体激光器中应用半导体制冷器进行精密温控的工作，不但振荡幅度更小，并且控制的精度也更高。
而基于传统的PID控制器的基础上，提高模糊控制规则的数量，这样就能形成一个新的变积分系数的模糊PI控制器，要想提高其各项性能，就必须在线调整积分系数，同时也要改进常规模糊控制设备的控制规则。
关键词：激光二极管；半导体制冷器；精密温控系统1 半导体激光器的精密温控系统的硬件设计1.1 硬件保护半导体制冷器是具备独立的限流电路的，所以当你进行任何操作时，输出电流都是在一定的范围内的。
而当超过这个极限时，系统就会自动报警；另外为了保证温控出现故障时或是系统过热时半导体激光器的二极管仍然是处于安全状态的，系统还会采用过热保护电路。
1.2 软件保护通常软件保护工作我们都采用一种新型的可编程芯片X25045，其是由电压监控系统、看门狗定时器以及EEPROM共同组成的，不但能够即时的监测系统的电压情况，同时也可以避免程序走飞，当系统遇到掉电的情况时，也能够即时复位，这样就不会因为电源干扰波动从而影响其正常的工作状态。
通常情况下，传感及传输部分、制冷及控制部分以及转换部分三部分组成了半导体制冷的温控系统，当其正常工作时，温度是会随着工作时间的不断增长而逐渐上升的，当温度出现变化时，测温传感器会将其转化为电阻变化，而在经过双绞线电流变送器时，会将其转变成为电流信号并传送到信号转换单元的位置处，一般情况下，信号转换单位包括A/D转换器和I/V电流电压转换器，输出的信号也就是代表温度的信号并传送到单片机位置处，PTT算法会对其进行相应的处理，通过扩展口信号也就起到了控制固态继电器的作用，这样不但保证了半导体激光器的温度是不变的，同时也起到了控制制冷器的作用。
半导体激光器温度控制系统的设计
激 光 与 红 外 No. 4 2006 焦明星 邢俊红 刘 芸等 半导体激光器温度控制系统的设计
263
0～2A 的电流来驱动 TEC 工作 ,从而控制 LD 的温 度。
4 系统软件设计 本系统的被控对象是中小功率 LD ,针对 LD 温
度数学模型的不确定性 (LD 温度随 LD 注入电流大 小改变而改变 ) ,我们采用模糊控制理论与数字 P ID 参数自适应调整相结合的控制算法 。温度控制系统
3. 2 温度信号的采集与控制 通过对温控系统的原始信号进行转换 、处理 ,以
产生与温度偏差相对应的控制量 ,从而驱动半导体 制冷元件工作 。
系统采用 12位双积分 A /D 转换器 ICL7109,对 1～4V的温度模拟电压信号进行 A /D 转换 , ICL7109 的分辨率为 1 /4096 或 244ppm ,内部有锁存器和寄 存器 ,可以和各种微处理器直接连接 ,转换速度最高 达每秒 30 次 。在单片机 AT89S52 控制下 ,温度模 拟电 压 信 号 经 CD4051 多 路 模 拟 开 关 , 输 入 到 ICL7109的模拟量输入端实现 A /D 转换 。转换数据 的显示采用专用数码管显示驱动芯片 MAX7219,该 芯片硬件电路简单 ,不占用数据存储空间 ,只需将欲 显示的数字量逐位送至相应的数字存储器即可自动 扫描 ,自动显示 。设定温度的标准电信号由精密电 位器对基准电压源分压得到 ,经多路模拟开关和 A / D 转换器采集后由单片机读取并保存 。
(4)
其中 , P、I和 D 依次为比例 、积分和微分系数 , 可见
P、I、D 参数对系统总输出控制量有很大影响 。由于
本温控系统的控温范围较大 ( 10～40℃) , 控温稳定
度要求较高 ( 0. 2℃) , 所以控温点比较多 , 较多的控
半导体激光器的精密温控系统设计
图２ 温度控制 原理
有电流电压转换 （Ｉ Ｖ 和 Ａ ／ ） ／Ｄ转换器 ， Ａ ， 从 ／Ｄ转换器输 出的代表温度的信号被送入单片机 ， 经过 Ｐ Ｔ Ｔ 算法处理后 ， 由扩展 口输出信号来控制固态继电器 ， 以实现对制冷器 的控制 ， 从而保证半导体激光器温度
的恒定 。
控 制系 统采 用 了 ８ Ｃ ２单 片机 系统 ， 据半 导 体 激 光器 的温 度 特性 ， 其 进 行 控 制 时 ， ９５ 根 对 要求 Ａ ／Ｄ转
量小 和实 时性 好 。
１ 系统 硬 件 设 计
激光器是一种 比较昂贵的半导体器件 ， 系统应有严格 的保护措施。本系统采用了软件和硬件的双重
保 护设 计 。
（ ）硬件保护。半导体制冷器具有独立的限流电路 ， １ 使得无论进行何种操作 ， 输出电流都被 限制到
一
定范 围内。一旦超过限定电流， 特定 的报警指示灯点亮 ； 采用过热保护电路 ， 确保系统过热或者温控器 （） ２ 软件保护。使用将看 门狗定时器、 电压监控和 Ｅ Ｐ Ｏ Ｅ Ｒ Ｍ结合在一起 的新型可编程芯片 Ｘ ５４ 。 ２０５
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第 ２ 卷第 ６ ４ 期
Ｖ０． ４ Ｎｏ ６ １２ ．
重庆 工 商大 学学报 （ 自然科 学版 ）
Ｊ ｈｎｑ ｇ ｅｈｏ Ｂｓ ｅｓ ｎ ． Ｎｔ ｃ ｒ ） ｏｇｉ ｃｎｌ ｕｉ ｓ Ｕｉ （ ａＳｉ ｄ Ｃ ｎＴ ｎ ｖ
换的采样速度不一定很高 ， 但精度应满足要求 ， 且执行机构的频响要较高 ， 可选择双积分性 Ａ ／Ｄ转换器。 温度传感器采用薄膜铂电阻传感器 ， 这种传感器体积小、 精度高 ， 采用半导体工艺制成。它的工作原理是
将温度 的变化转化为 自身电阻的变化。因此 ， 测温的精度在一定程度上就决定于将这个 电阻值 的变化转 换为电压变化过程的精度。将 电阻值的变化转换 为电压的变化通常是采用电桥的方法 ， 并采用双绞线 电
激光器电源的高精度温度控制器系统与算法的研究
激光器电源的高精度温度控制器系统与算法的研究激光器电源的高精度温度控制器系统与算法的研究摘要激光器是二十世纪最重要的发明之一，激光器的使用极大地改变了人们的生活方式。
但是在实际生产生活中，在稳定性、耐用性等方面对激光器要求极为苛刻，特别是在温度控制系统方面。
温度的极小偏差会导致激光器输出的波长以及频率受到影响，从而影响正常使用。
一般来说，温度改变1摄氏度，波长改变0.2-0.3nm，因此需要实现对激光器电源温度的高精度控制。
本文主要设计了一种高精度温度控制系统。
在算法方面，本设计采用了模糊PID控制算法，该算法兼具了模糊控制的强抗干扰能力以及PID控制算法消除稳态误差两者的优点。
同时，该算法通过了在MATLAB软件SIMULINK工具箱进行系统仿真论证。
最后根据仿真结果，搭建了以STM32为控制核心的温度控制系统，并且通过精密调节TEC的电流大小和方向，实现了对温度的高精度控制。
关键词：激光器; STM32; 模糊控制; PID控制The Research of Algorithm and Programming on TemperatureControl System of Laser DiodeAbstractLaser is one of the most important inventions of the 20th century, and it has vastly changed people's lifestyle. However, it’s extremely demanding in terms of stability and durability in actual production, especially the temperature control systems. In addition, even though the little change of temperature will alter the output of lasers’ wavelength and frequency, then affecting normal use of laser. According to the data, for each degree Celsius of the temperature of the laser, 0.2-0.3nm of the wavelength will alter. Therefore, it is necessary to control the temperature of laser diode with high-precision.This paper presents a high-precision temperature control system of the laser. In algorithm and programming, the laser uses the fuzzy PID control algorithm, which has both the strong anti-interference ability of fuzzy control and the advantages of PID control algorithm. To take it a step further, the algorithm has been demonstrated in the SIMULINK toolbox of MATLAB software. Finally, according to the result of simulation, a temperature control system with STM32 as the control core was set up, and the precise control of the current and direction of the TEC was achieved high-precision temperature control.Keywords:Laser; STM32; fuzzy control; PID control目录1 前言 (1)1.1本设计的目的、意义及应达到的技术要求 (1)1.2本设计在国内外的发展概况及存在的问题 (1)1.3本设计应解决的主要问题 (2)2激光器电源温度控制系统算法的研究 (2)2.1 PID控制原理理论 (2)2.2 智能控制 (4)2.3系统算法设计 (9)3温度控制系统的设计 (10)3.1温控系统总体框架 (10)3.2温度系统硬件总体介绍 (11)3.3单片机软件处理模块设计 (13)4系统仿真 (15)4.1 MATLAB及SIMULINK的简介 (15)4.2系统仿真过程 (15)总结和展望 (18)参考文献 (20)谢辞....................................................... 错误!未定义书签。
TEC的半导体激光器恒温控制系统设计_孙冬娇
中 图 分 类 号 ：ＴＰ２７１ 文 献 标 识 码 ：Ｂ 文 章 编 号 ：１００１－２２５７（２０１４）０８－００５２－０４ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｈａｓ ａｎ ｉｍ－ ｐｏｒｔａｎｔ ｒｏｌｅ ｏｎ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｍｉ－ ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｌａｓｅｒｓ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｉｇｎｓ ａｎｄ ｒｅａｌｉｚｅｓ ｔｈｅ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ ａｎｄ ＳＣＭ． Ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｅ ｐｕｒｐｏｓｅ ｏｆ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｌａｓｅｒｓ ａｍｂｉｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ， ＭＳＰ４３０Ｆ１４９ ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ ｉｓ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ，ＰＴ１０００ｉｓ ｉｎｓｔａｌｌｅｄ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄａｔａ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ，ａｎｄ ＴＥＣ ｃｏｏｌｉｎｇ ｃｈｉｐ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ａｄｊｕｓｔ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａ－ ｔｕｒｅ．Ｉｔ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｃｉｒｃｕｉｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ，ｉｔ ａｌｓｏ
很好的重现性和稳 定 性，利 用 铂 的 此 种 物 理 特 性 制 成的传感器称为铂电阻温度传感器。铂电阻温度传 感器精度高，稳定 性 好，应 用 温 度 范 围 广，具 有 良 好 的长期稳定性。通常使用的铂电阻 ＰＴ１０００温度 传 感器 在 工 作 温 度 范 围 内 具 有 良 好 的 线 性 特 征，在 ０ ℃时阻值为１ ０００Ω，１００ ℃时阻值为１ ３８５．１Ω，电 阻变化率为３．８５１Ω／℃ 。 ［５－６］
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高精度输出半导体激光器的温度控制系统设计
Ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ａ Ｈｉｇｈ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｙｓｔｅｍ
章朝阳
Ｚｈａｎｇ Ｃｈａｏｙａｎｇ
（东莞市高级技工学校， 东莞５２３１１２）
（Ｄｏｎｇｇｕａｎｇ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ａｒｔｉｆｉｃｅｒ Ｓｃｈｏｏｌ， Ｄｏｎｇｇｕａｎｇ５２３１１２）
摘要： 本文利用高信噪比的运算放大器、半导体制冷器，设计了一种激光器的温控系统，其能为半导体激光器提供高稳定度的恒温控制（ＡＴＣ），从而提高了半导体激光器的使用寿命和输出波长的单一性。
关键词： 半导体激光器； 温度控制
中图分类号：ＴＰ２７３ 文献标识码：Ｂ文章编号：１６７１－４７９２－（２００７）５－００９７９－０２
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ， ｗｅ ｕｓｅ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ Ｓ／Ｎ， ａｎｄ ａ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｃｏｏｌｅｒ ａｓｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ， ａｎｄ ｗｅ ｓｕｃｃｅｅｄ ｉｎ ｉｎｖｅｎｔｉｎｇ ａ ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｗｈｉｃｈ ｉｓｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｄｉｏｄｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ。
Ｗｉｔｈ ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｗｅ ｃａｎ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｌｉｆｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｕｒｅｓｐｅｃｔｒｕｍ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ： Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ； Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ
０引言
随着光纤通信向着小型化、集成化发展，掺铒光纤放大器（ＥＤＦＡ）和ＲＡＭＡＮ放大器的应用越来越广泛，要求半导体激光器（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ－ＬＤ）在特定的波长（９８０ｎｍ，１４８０ｎｍ）下稳定工作， ＬＤ的输出波长随注入电流的增加而增加。
另外，ＬＤ在连续或脉冲工作方式下，输入激光器的能量部分转化为激光输出，其余能量转化为热损耗，其中工作物质中产生的热对激光器输出影响最大。
ＬＤ的输出波长与温度有着很大的关系。
当ＬＤ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为０．３－０．４ ｎｍ／ ℃。
很显然，要想得到ＬＤ高效稳频、低噪声的输出，则必须对ＬＤ的驱动电流和温度进行高精度的控制。
本文重点介绍对ＬＤ工作温度进行高精度控制。
在温控电路中我们采用体积小且易控制的半导体制冷器（ＴｈｅｒｍａｌＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｏｌｅｒ－ＴＥＣ）作为制冷器件。
ＴＥＣ是利用半导体材料的Ｐａｌｌｔｅｒ效应制成的微型致冷器，若给它通以负电流，其工作表面即为负温，致冷； 反之，加热。
近年来，随着半导体电致冷器的不断完善，其产冷功率、温差范围及温差电流比以往都有了较大地提高。
与传统的温度元件（如电阻丝）相比，它具有使用方便、响应速度快、控制效果佳、可方便进行加热／致冷转换等优点。
１温度控制电路工作原理
恒温控制系统的基本原理： 整个反馈控制通过热敏电阻将ＬＤ的温度反馈到输入端，经过差动放大和缓冲隔离后送入
ＰＩＤ控制器，通过控温执行元件实现温度控制［２］。
测温部分用
具有高灵敏度的负温度系数的热敏电阻（ＮＴＣ）作为温度传感
器，将实际温度与设置温度值相减，差值送ＰＩＤ控制器驱动
温控执行部分。
用ＴＥＣ作为制冷器件，ＴＥＣ用乙类双电源互
补对称功率放大电路驱动。
１．１温度／电压转换电路
进行精密温控的前提条件是能够高精度高分辨率的检测
温度值。
本文中的温控装置用于激光器，温控精度要求达到
±０．０２℃，因此相应的测温分辨率至少应高出一个数量级。
通常的集成温度传感器或半导体温度传感器达不到如此精
度，热敏电阻具有较高的温度系数，但非线性很大。
由于Ｌ
Ｄ体积非常小，所以，测温器件也要很小。
采用半导体工艺
制成的薄膜铂热敏电阻器，不仅体积小（可以做到２．０ｍｍ×
２．５ｍｍ×１．１ｍｍ），而且具有很好的灵敏度和稳定性，它
将温度的变化转化为电阻值的变化，在不太宽的温度范围内
（２００℃以下），其电阻与温度的关系可以表示为：
Ｒ
θ
＝Ｒ
０
［１－α（θ
Ｃ
－θ
０
）］
式中：Ｒ
θ
为θ
Ｃ
时的电阻值（Ω）；θ
０
为选定温度，一般
为０℃； Ｒ
０
为θ
０
时的电阻值； α为温度系数。
测温电路如
图一所示，采用桥路放大采样。
为了很好的使热敏电阻（Ｒｔ）
的变化与输出的电压线性化，电路中设计了Ｒ
３
与Ｒｔ并联。
电
桥由Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒｔ组成。
因此，Ｒｔ上的电压变化就
高
精
度
输
出
半
导
体
激
光
器
的
温
度
控
制
系
统
设
计
２１９
２２０
科技广场
２００７．５
式中： Ｖ
ａ
为图一中ａ点电压，Ｖｂ图一中为ｂ点电压。
改
变反馈电阻Ｒ８的大小，就可以改变整个电路的放大倍数。
此放大电路主要用于精密差动信号的放大处理，该电路的使用为高精度控制提供了第二层保证。
由于仪表运算放大器有如此高的精度，故在后一级确定调整温度电路，Ｕ４也采用ＩＮＡ１２８。
在此放大电路，Ｕ４同相端的输入电压由Ｒ１４、Ｒ１５组成，它为我们提供了一个参考电压，改变Ｒ１５的阻值就可改变参考电压的值。
参考电压的值就是所要设定的激光器的温度值，改变其大小就可改变激光器的工作温度。
Ｒ１４的作用在于设定了激光器的最大工作温度。
１．３比例积分电路
如图一所示，Ｕ５、Ｕ６、Ｕ７及其附属电路组成的一个ＰＩＤ调节器。
ＰＩＤ调节器实际上就是一个比例、积分、微分电路。
Ｒ１６、Ｒ１９与Ｕ６组成一比例系统，Ｒ１６、Ｒ１７、Ｃ１及Ｕ５组成积分系统， ＰＩＤ调节器实际上就是一个对高频进行抑制的电路系统，它极大地改善了信号的信噪比，是实现高精度控制的重要保证之一。
对差值进行比例放大，可以增强控制作用，减小系统稳
定误差，提高系统的响应速度，但放大倍数过大会使动态质
量变坏，引起被控制量振荡甚至导致闭环系统不稳定。
电路
的放大倍数为：。