王研 李彬 冀楠
吉林建筑大学 电气与计算机学院， 吉林 长春 130012
摘要 研制了基于模拟PID温控电路的双通道分布反馈式激光器温控电路，对比了模拟PID和数字PID温控电路的性能，并通过实验验证了温度控制的有效性和可靠性，研究成果能够为分布反馈式激光器领域的应用提供参考。
关键词：分布反馈式激光器，模拟PID，双通道，光电检测
引言
目前，分布反馈式激光器的温度控制电路有两种设计方法，一种是使用分立电子元件设计温控电路，另一种是使用集成芯片设计并制作温控电路。使用分立元件设计电路的成本较低，但电路体积较大，且由于电子元件过多，电路功耗和故障率难以得到保障。使用高集成度的专用激光器温度控制芯片，可以提高温控电路的稳定性和控制精度。
因此本文针对分布反馈式激光器开展相关测试实验，并通过自主研制电路的方法，设计并制作分布反馈式激光器温度控制电路，为光电检测领域的工作提供参考。
1 设计方案
系统中使用模拟PID电路进行激光器温度控制，与数字PID电路相比，模拟PID的响应速度更快，控制精度更高，并且无需编写复杂的PID控制程序，降低了主控MCU的资源。激光器内置的负温度系数热敏电阻的阻值与温度之间的关系如公式(1)所示，公式中，为热敏电阻在温度时的阻值，为热敏电阻在室温时的阻值，本文中使用的CO激光器与CH4激光器封装的RTD在室温下的阻值均为10 kΩ，CO激光器的B值为3900 K，CH4激光器的B值为3930 K，为RTD在室温下的温度，与均为开式温度，开氏温度与摄氏温度的关系如公式(3.2)所示，其中为摄氏温度，为开氏温度。除此之外，还有一种方法可以建立RTD与温度之间关系，即通过查询两个激光器的电阻温度转换表(R - T conversion table)，将10 ~ 60 ℃温度区间的R-T数据通过Origin软件进行拟合，当设定温度为一固定值时，对应的RTD阻值可以由拟合公式计算得到。
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2 电路设计
在设计基于ADN8831的激光器温控电路时，首先应该设定激光器的温度范围。温度范围不宜过大或过小，应该根据激光器的出厂测试数据进行设置，如果温度范围设置过大，在控温时容易产生过冲或者导致系统响应时间过长，如果温度范围设置过小，则会缩小激光器的中心波长位移范围。在选定激光器的温度范围后，通过查找热敏电阻的R-T表，得到温度范围上下限对应的温度与，以及中间温度对应的，由于激光器内置的时NTC热敏电阻，因此。在此基础上，通过公式，在温度范围内选取激光器的设定温度值时，设定电压为，即通过DAC对ADN8831的PIN6输出电压。为ADN8831提供的参考电压，为热敏电阻，通过，，可求得，，阻值。在计算的阻值之后，需要检查ADN8831的第一级增益是否在10和30之间，如果增益过高，则说明温度区间选取的过小，不利于温度的高分辨率控制，如果增益过低，则需要缩小温度控制范围。至此，建立了激光器的温度值与DAC输出电压直接的线性关系。
激光器温度的稳定性与温度状态建立时间取决于控制环路增益及带宽。为了实现最高的直流控制精度，本文中，控制环路使用了比例式积分微分(PID)补偿网络。由于激光器的个体差异，需要在温度范围确定之后，对可调谐温度补偿网络进行参数配置。如图1所示，CD，RD，RP，CF，RI，CI为构成PID控制环路的元器件，通过改变这些器件的阻值、容值，可以直接影响到环路的稳定性和响应时间，例如，提高CI或降低RP可增加环路时间常数，增强稳定性，但同时会导致响应时间变长。
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图1 激光器温度控制电路的可调谐PID温度补偿网络原理图
结论
本文设计并分析了基于分布反馈式激光器的温度控制电路。通过实验验证了电路的有效性，研究成果可进一步优化，为低成本、高可靠性的激光器驱动方案提供参考设计。
作者简介：
王研，男，就读于吉林建筑大学，电气与计算机学院，建筑电气与智能化专业，
通信作者：李彬，男，讲师，吉林建筑大学，电气与计算机学院，