面向混沌半导体激光器的高精度温控与直流驱动电路系统设计

发布时间：2020-06-03 13:06

【摘要】：近几年,混沌信号在通信、传感、信息安全等领域显现出重要的应用价值。目前混沌信号主要有以下两种产生方式:一、分立器件产生混沌信号;二、集成混沌激光器芯片生成混沌信号。但是,分立器件产生混沌信号,其结构复杂、且易受环境影响、输出不稳定、不利于混沌信号的应用。作为一种新型的光电子器件,集成混沌激光器具有体积小、易于其他系统集成、可以输出稳定可靠的宽带混沌信号等优点,成为现在的研究热点。混沌半导体激光器一般采用温度敏感型材料作为增益介质,如砷化镓、磷化铟等,而温度的改变会影响混沌半导体激光器输出的波长和阈值电流,最终将导致激光器输出混沌状态不稳定。并且偏置电流对激光器进入混沌的路径以及输出的混沌信号状态都有重要的影响,因此对混沌半导体激光器进行高精度温度控制和直流驱动控制十分重要。目前,现有激光器温控源与驱动源普遍体积较大而且购买价格相对比较昂贵,因此不利于系统的控制和集成。针对上述问题本文设计了一套面向混沌激光器的高精度温控与直流驱动电路系统。该系统主要包括温度控制模块,直流驱动模块,以及上位机控制模块三个部分。本文采用Analog Device(ADI)公司的高控温精度芯片ADN8830作为温控电路的主控芯片,并设计惠斯通电桥温度采集转化电路、基于RC的PID温度补偿网络、TEC控制与功率放大电路等模块构成完整的闭环温度控制结构。直流驱动模块采用ADN2830作为主控芯片,并结合高精度、双通道的数字电位计AD5172实现精确控制激光器注入电流的目的。上位机通过调用LabVIEW中的VISA节点函数,构建基于串口通信的硬件平台,实现对电路系统的控制。本文的主要研究内容如下:(1)设计了基于惠斯通电桥法的温度采集转化电路、基于RC的PID温度补偿网络、以及TEC控制与功率放大电路构成的完整闭环温度控制结构。并对该实验方案的可行性进行了理论验证,在此基础上绘制PCB图,制作面向混沌半导体激光器的高精度温控与直流驱动电路系统的温度控制模块电路。实验证明,该电路系统温度控制范围为18.09℃~42.02℃,温度控制精度可达0.01℃,完全满足混沌半导体激光器稳定运行的要求。(2)设计了基于ADN2830芯片的驱动控制模块,同时利用高精度数字电位计AD5172设计串、并电阻电路,构成激光器驱动控制模块,并在此基础上绘制PCB图,制作面向混沌半导体激光器的高精度温控与直流驱动电路系统的驱动控制模块电路。实验证明,该电路系统电流输出范围约为0mA~115.6mA,电流控制精度最小可达0.01mA,完全满足混沌激光器稳定运行的要求。(3)利用CMOS运算放大器对上述面向混沌半导体激光器高精度温控与直流驱动电路系统的驱动模块进行优化与改进,对驱动电路的输出电流进行放大,绘制PCB图并制作驱动电路。实验证明,放大后的驱动电路系统电流输出范围约为0mA~455.6mA,电流控制精度最小可达0.01mA,满足半导体光放大器正常工作要求。(4)通过调用LabVIEW中的VISA节点函数,构建基于串口通信的硬件平台,设计了一套PC机为上位机,STM32单片机最小系统为下位机的串口通信数据系统,实现上位机对电路系统的控制以及数据的处理功能。通过Lab VIEW软件完成对上位机控制界面以及相应功能的开发与实现。实验验证,该软件运行稳定符合实验要求。
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN248.4

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本文编号：2694865