应用于CO气体检测的DFB激光器驱动及温控电路的设计

发布时间：2017-10-03 09:09

  本文关键词：应用于CO气体检测的DFB激光器驱动及温控电路的设计

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【摘要】：一氧化碳（CO）是一种无色、无味且有剧毒性的气体，会使人在毫无察觉的情况下中毒。工业生产过程中，由于炉门密封不严、矿井下煤炭自燃等原因会导致的CO泄露，往往会引发重大人员伤亡事故。因此，研制针对CO气体检测的预警系统将会对工业安全生产提供重要的保障。可调谐激光二极管吸收光谱（TDLAS）技术如今广泛应用于气体检测中，它是利用激光器输出特定波段的光谱扫描被检测气体的吸收跃迁谱线，并提取探测信号中的二次谐波获取相应的气体浓度信息。该类气体检测系统中通常使用分布负反馈(DFB)激光器作为光源,由于DFB激光器的输出光功率及波长受到工作电流和工作温度双重因素影响，，所以需要专门设计激光器驱动及温度控制电路对工作条件加以控制。 本论文针对应用于CO气体检测的1563nm DFB激光器设计了一款具有高精度的激光器驱动及温控电路系统。硬件电路设计中，采用了可编程波形发生器产生高频正弦波和低频三角波，经调制后的驱动信号控制压控恒流源对激光器进行驱动；采用热电制冷器驱动芯片LTC1923驱动热电制冷器(TEC),根据模拟PID控制原理使DFB激光器工作在指定温度；设计了一款低噪声高精度的稳压电源对系统供电，以提高驱动电路工作稳定度；激光器保护部分设计了电源软启动、过流保护电路、浪涌保护等一系列保护措施；人机交互部分设计了LCD显示、键盘阵列、通信接口等电路。软件部分设计包括：温度控制程序、中断程序、接口程序等。测试实验部分开展了电源性能测试、驱动波形测试、恒流源性能测试、激光器温度控制实验。 本论文中激光器驱动及温控系统功能指标如下： （1）激光器驱动及温控由低纹波低噪声的线性稳压电源供电，输出电压+5V时，纹波幅度为2mV，纹波系数为0.04%。 （2）双DDS可以同步输出两种频率、幅度可调的三角波和正弦波，经加法器叠加后输出调制驱动信号。 （3）压控恒流源输出电流范围可调控在0mA-200mA之间，并且兼具良好的非线性误差和稳定性。 （4）温控器可以将DFB激光器的工作温度准确地控制在[6℃，50℃]区间内的任意值，温度调节响应仅耗时10秒，长时间温度控制误差可以控制在±0.01℃以内。 （5）本系统为DFB激光器设计了上电软启动、过流保护、过温保护、热敏电阻开路/短路保护、TEC过压/过流保护以及防浪涌措施等多种保护电路。
【关键词】：CO气体检测 DFB激光器 可编程波形发生器 压控恒流源 温度控制器
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R134.4;TN248
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第一章 绪论12-17
• 1.1 课题选题背景及研究意义12-13
• 1.2 国内外研究进展13-16
• 1.2.1 国内外半导体激光器驱动器研究进展13-14
• 1.2.2 国内外半导体激光器温度控制器研究进展14-16
• 1.3 论文主要内容安排16-17
• 第二章 系统设计原理17-29
• 2.1 红外吸收法 CO 检测系统原理17-18
• 2.2 DFB 激光器基本原理18-22
• 2.2.1 DFB 激光器内部结构18-19
• 2.2.2 DFB 激光器基本特性19-22
• 2.3 DFB 激光器温度控制原理22-28
• 2.3.1 DFB 激光器的封装结构22-24
• 2.3.2 DFB 激光器 TEC 驱动器24-25
• 2.3.3 PID 控制原理25-27
• 2.3.4 模拟 PID 控制器27-28
• 2.4 本章小结28-29
• 第三章 硬件电路设计29-52
• 3.1 硬件电路总体结构29-30
• 3.2 DFB 激光器驱动电路30-34
• 3.2.1 调制波形发生电路30-32
• 3.2.2 低通滤波器以及加法器电路32-33
• 3.2.3 压控恒流源电路33-34
• 3.3 DFB 激光器温度控制电路34-42
• 3.3.1 温度设置与差分放大电路35-36
• 3.3.2 TEC 控制器36-41
• 3.3.2.1 H 桥推挽输出驱动37-39
• 3.3.2.2 脉冲式电流限制功能39-40
• 3.3.2.3 NTC 热敏电阻短路/开路监测及工作状态指示40-41
• 3.3.2.4 TEC 电压钳制41
• 3.3.3 A/D 采样电路41-42
• 3.4 供电电源及保护电路42-45
• 3.4.1 直流稳压电源42-43
• 3.4.2 基准源电路43
• 3.4.3 电源软启动电路43-44
• 3.4.4 过流保护电路44-45
• 3.5 主控制器及外设电路45-48
• 3.5.1 主控制器45-46
• 3.5.2 USB 接口电平转换电路46-47
• 3.5.3 LCD 液晶显示47-48
• 3.5.4 按键48
• 3.6 印刷电路板（PCB）焊接与调试48-51
• 3.6.1 印刷电路板的设计48-50
• 3.6.2 系统焊接调试50-51
• 3.7 本章小结51-52
• 第四章 系统软件设计52-62
• 4.1 系统软件总体结构52-53
• 4.2 温度控制程序53-55
• 4.3 中断程序55-57
• 4.3.1 外部中断与按键55-56
• 4.3.2 定时器中断与串行数据传输56-57
• 4.4 接口程序57-61
• 4.4.1 DDS 接口程序57-58
• 4.4.2 A/D 接口程序58-59
• 4.4.3 D/A 接口程序59-60
• 4.4.4 LCD 接口程序60-61
• 4.5 本章小结61-62
• 第五章 实验及结果分析62-71
• 5.1 电源性能测试62-63
• 5.2 驱动波形测试63-65
• 5.3 恒流源性能测试65-66
• 5.3.1 恒流源线性度测试65-66
• 5.3.2 恒流源稳定性测试66
• 5.4 激光器温控实验66-69
• 5.4.1 激光器温度控制测试66-68
• 5.4.2 温度控制稳定性测试68
• 5.4.3 温度控制范围测试68-69
• 5.5 本章小结69-71
• 第六章 总结与展望71-73
• 6.1 总结71
• 6.2 展望71-73
• 参考文献73-77
• 附录77-78
• 致谢78

【参考文献】

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本文编号：964333