基于AD7896的激光器出射功率測量與控制設(shè)計

1 系統(tǒng)原理
1．1 半導體激光器結(jié)構(gòu)原理
半導體激光器的電氣符號及其結(jié)構(gòu)如圖1所示。它由激光發(fā)射部分LD和激光接收部分PD構(gòu)成。LD和PD封裝在一個管殼中，共用一個公共端點，并與管子的金屬外殼相連。激光驅(qū)動電壓分別經(jīng)過一個電阻接入激光器第1腳和第3腳，可控制LD的工作電流和PD受光后的轉(zhuǎn)換電流。由LD發(fā)出的激光強度暫且稱作發(fā)射功率。

1．2 半導體激光器功率測量與控制原理
半導體激光器是一種熱功率器件，在連續(xù)工作情況下結(jié)區(qū)溫度升高較快，閾值電流也相應(yīng)發(fā)生變化。當溫度升高時，激光器發(fā)射功率隨之下降，發(fā)射出的激光會聚后，色彩信息與存儲文件包含的色彩信息偏差較大，因此有必要進行出射光補償。補償方法是在激光器前面加裝一個可通過步進電機調(diào)整的偏振鏡，調(diào)整偏振鏡的角度，以改變出射光強度(出射功率)，在激光器溫度變化較小的范圍內(nèi)(另有半導體制冷裝置調(diào)節(jié))適當?shù)丶哟蟀l(fā)射功率，可通過偏振鏡調(diào)整輸出與存儲文件中相對應(yīng)的光強度信息，從而保證輸出激光對相紙掃描曝光的失真。
1．3 測量控制系統(tǒng)框圖
測量控制系統(tǒng)中的主要硬件電路由微處理器AT89C52、光電探測器(每支激光器發(fā)射口和出射口各1個)、放大電路、12位ADC轉(zhuǎn)換電路、步進電機控制模塊等組成，其基本框圖如圖2所示。

驅(qū)動電路提供半導體激光器所需要的工作電流；光電探測器測量激光發(fā)射功率和出射功率的變化；放大電路對所采集的微弱電壓變化信號進行放大，以適合ADC轉(zhuǎn)換；微處理器AT89C52接收到ADC轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信息，再通過軟件與設(shè)定值比較，發(fā)出PWM脈沖控制信號，驅(qū)動步進電機動作，以改變激光器出射處偏振鏡的偏轉(zhuǎn)角度，調(diào)整半導體激光器的出射功率達到穩(wěn)定。
1．4 AD7896特性及工作模式
AD7896是生產(chǎn)的一種低功耗12位高速串行A／D轉(zhuǎn)換器。該產(chǎn)品有8腳Plastic DIP，Lead Cerdip和SOIC三種封裝形式，且?guī)в袃?nèi)部時鐘。它的外圍接線極其簡單，AD7896的轉(zhuǎn)換時間為8μs，采用標準SPI同步串行接口輸出和單一電源(2．7～5．5 V)供電。圖3是AD7896工作在高速模式時的時序圖。在此模式下，啟動信號CONVST一般處于高電平。當CONVST輸入一個負脈沖，其下降沿將啟動一次轉(zhuǎn)換．該信號觸發(fā)BUSY由低電平變?yōu)楦唠娖?，并標記轉(zhuǎn)換正在進行。經(jīng)過最大8μs時間后轉(zhuǎn)換結(jié)束，BUSY自動從高電平變?yōu)榈碗娖?，然后?6個時鐘脈沖讀出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進行存儲，時鐘脈沖頻率最大為10 MHz(+5 V供電)，讀出數(shù)據(jù)時間最短為1．6μs，再經(jīng)過400 ns時間等待，在下一次轉(zhuǎn)換開始時，數(shù)據(jù)串行移位輸出，整個轉(zhuǎn)換時間最短為10μs。

2 硬件電路的設(shè)計
2．1 放大電路的設(shè)計
由于半導體激光器起振產(chǎn)生激光的電流很小，且在正常工作時一般僅數(shù)微安至數(shù)十毫安，所以選用性能價格比較高的AD707作為減法運算放大器。圖4為實際的應(yīng)用放大電路。圖4中JGT為紅色激光器光電探測器輸出端(連接在激光器第3腳)，經(jīng)電阻R1輸入到運算放大器AD707的同相端，反相端通過R40構(gòu)成反饋電路，電路中R34和R22構(gòu)成的分壓電路為反相輸入端，用以提供電壓μA。該電壓可通過調(diào)整R34校準三基色的比例。JGT采樣到的電壓信號uJGT經(jīng)減法運算后從AD707第6引腳輸出，其大小為：

集成運放采用雙電源+8 V和-8 V供電，可有效降低輸出電壓噪聲，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。