智能控制的半导体激光器电源实现

　　选用Silicon公司的C8051F020为数字处理单元。在扫描按键功能实现中使用了CH451，芯片内置去抖功能和键盘中断功能，可以节省单片机的内部运行时间，确保按键读取的准确性。

　　外围电路

　　为实现调制信号输出电压的独立可调，在输出端添加了两级输出运放U14A和U14B，考虑到带宽要求所以放大器选用Maxim公司的高速运放MAX4215。利用高速运算放大器组成减法电路，使得输出信号由原来的对称于地电位的2Vp-p变为以2.5V电压为中心的2Vp-p。当需要外接调制电路时则启动核心单元控制继电器，从而达到内置调制电路和外接调制源之间的转换。

　　软件设计

　　软件采用C51编写程序，包括主程序和中断响应程序部分。

　　主程序主要是实现软启动、慢关机和控制发火。在系统启动时，初始化系统后进入人机对话界面，扫描是否有按键按下，若有则调用按键处理程序，操作者可通过键盘设定输出电流输出电压基准值，同时显示，以便确认。开始工作，通过缓慢增加电压的方式来实现系统的软启动，保护LD。正常工作时，硬件电路中采样电流信号，从数模转换电路出来的信号经过采样电阻，得到相应的电压信号，传给单片机，送出显示。若出现电流波动情况则进行PID控制，其中采用了中值与均值复合滤波方法处理。系统对D/A输出信号调整，进而调整输出电流。主程序中的循环部分不断探测LD的工作电流、工作温度和发射功率，并显示出来以便查看。如果出现故障，中断信号送入单片机端口(分别相应过压、过流、突然断电情况)，系统分别调用中断程序实现对系统的快速保护。主要控制功能均利用中断实现，保证系统响应的实时性。最后当操作者按下按键关闭设备时，系统调用慢关闭程序，安全地停止工作。

　　数字滤波

　　对系统干扰作用的冲击信号往往具有较宽频谱，且具有随机性。对此，系统采用了软件方法对采样信号进行了数字平滑滤波，通过对信号进行处理，减少干扰对有用成分的作用。常见数字滤波的方法有中值滤波、均值滤波等[6]。将中值滤波与均值滤波方法结合，构造一种复合滤波方法，具体做法是：首先对样本信号排序，去掉其中的最大值和最小值，再对余下数据组成的序列计算均值作为滤波结果，这样既可滤除冲击干扰又保留了有用信号成分。

　　保护设置

　　软启动和慢关机：系统的启动或关闭均由启动/停机键控制，如果判断为开机，则命令LD驱动芯片预热工作，再逐渐增大工作电流至设定值，实现软启动。如果判断为关闭，则逐渐降低工作电流直到零，实现慢关机。

　　电流过载保护：程序设定或通过键盘确定电流值上限值，CPU通过控制数字电位器调节激光驱动芯片PIN21的电压并检测电流，保证流经LD的电流的稳定，防止出现过流而损坏LD。实时比较电流设定值和采样值，当实际值大于上限时，系统启动限流保护动作。

　　测试结果

　　根据设计制作了数字式电源，连接现有的实验室用的半导体激光器，进行性能测试。

　　开机后激光器预热半小时，通过软件设定方式调节激光器的工作电流至1.5A，激光器启动系统运行，工作电流平稳上升达到1.5A，动态响应时间在1.5~2s之间。系统输出电流为1.5A，连续工作4小时，每间隔10分钟记录1次电流，按照时间排列测试次序和相应的电流值。测试结果数据描绘曲线见图3。结果表明系统的控制电流稳定，误差小。测试结束后关闭激光器，系统逐步减小输出电压信号，降低输出功率至零后激光器停止工作。结果表明，采用数字控制方案的电源达到激光器的稳态精度要求。

　　结语

　 结果表明，输出电流0～1.5A，工作电流稳定，电源还可实现软启动慢关机、防浪涌功能。经测试，数字式电源达到激光电源的稳态精度要求，改善系统的动态性能，同时简化了硬件电路。