一种单、双激光源高速电流调谐信号控制器的制作方法

1.本实用新型涉及电流调谐信号控制器领域，特别涉及一种单、双激光源高速电流调谐信号控制器。


背景技术：

2.tdlas系统中的激光发射单元采用分布反馈半导体激光器(dfb)及其电流驱动装置。系统工作过程中，温度控制器始终维持激光器工作在最适温度范围，通过改变激光器的驱动电流，就能够实现激光器在一定范围内进行波长扫描，激光携带能量穿过待测区域，获得目标分子的吸收谱线进而达到分析的目的。根据tdlas系统原理，需要信号发生电路产生具有一定线性度的调谐信号叠加在驱动电流信号上面，达到激光器出射波长线性扫描并且覆盖所使用的谱线，但在tdlas系统中，激光源的工作存在设备成本高、系统稳定性有待提高的缺点。


技术实现要素：

3.本实用新型的为解决上述现有技术所存在的问题，提供了一种单、双激光源高速电流调谐信号控制器，用于tdlas系统，具体包括：供电模块、电压转换模块、数字电路控制模块、信号运算放大模块、信号调理电路模块、参数配置通信接口模块；
4.所述供电模块与所述电压转换模块相连；
5.所述电压转换模块分别与所述数字电路控制模块、信号运算放大模块、信号调理电路模块相连；
6.所述数字电路控制模块分别与所述信号调理电路模块、参数配置通信接口模块相连。
7.优选地，所述信号调理电路模块包括dac单元、压控电流源单元、模拟开关单元和大电容充放电单元；所述dac单元分别与所述压控电流源单元、模拟开关单元相连；所述压控电流源单元、模拟开关单元均与所述大电容充放电单元相连；所述模拟开关单元与所述电压转换模块相连。
8.优选地，所述数字电路控制模块包括mcu微控制器单元；所述mcu微控制器单元分别与所述dac单元、电压转换模块、参数配置通信接口模块相连；所述dac单元与所述信号调理电路模块相连。
9.优选地，所述压控电流源单元包括压控电流源电路；所述模拟开关单元包括模拟开关电路；所述dac单元包括若干个d/a转换器；所述d/a转换器分别与压控电流源电路、模拟开关电路相连。
10.优选地，所述电压转换模块包括若干个转换电源单元；所述转换电源单元分别与所述mcu微控制器单元、信号运算放大模块、dac单元、跨导放大电路、模拟开关电路相连。
11.优选地，所述参数配置通信接口模块包括通信接口和usb转换器接口；所述通信接口与所述mcu微控制器单元相连。
12.优选地，所述通信接口采用uart串口通信协议。
13.优选地，所述mcu微控制器单元采用arm或fpga微控制器。
14.本实用新型的有益效果：
15.本实用新型的单、双激光源高速电流调谐信号控制器能够用于tdlas系统，对tdlas系统中使用的dfb激光器波长扫描特定范围进行调谐，通过电路和软件设计实现对tdlas系统单、双激光模块的快速线性调谐目的和激光器在一定范围内进行波长扫描，保证了调谐信号控制器的低成本和稳定性。
附图说明
16.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1为本实用新型的结构示意图；
18.图2为本实用新型的电路工作原理图；
19.图3为本实用新型的供电模块原理图；
20.图4为本实用新型的调谐模式选择和参数配置通信接口的结构框图；
21.图5为本实用新型的单激光源高速电流调谐驱动模式逻辑图；
22.图6为本实用新型的双激光源高速电流调谐驱动模式逻辑图。
具体实施方式
23.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
24.为了解决tdlas系统中激光源的工作存在设备成本高、系统稳定性有待提高的问题，本实用新型提供了如下方案：
25.参照图1
‑
3所示，本实用新型提供一种单、双激光源高速电流调谐信号控制器，具体包括：供电模块、电压转换模块、数字电路控制模块、信号运算放大模块、信号调理电路模块、参数配置通信接口模块；供电模块与电压转换模块相连；电压转换模块分别与数字电路控制模块、信号运算放大模块、信号调理电路模块相连；数字电路控制模块分别与信号调理电路模块、参数配置通信接口模块相连。
26.信号调理电路模块包括dac单元、压控电流源单元、模拟开关单元和大电容充放电单元；dac单元分别与压控电流源单元、模拟开关单元相连；压控电流源单元、模拟开关单元均与大电容充放电单元相连；模拟开关单元与电压转换模块相连。其中，压控电流源单元包括压控电流源电路；模拟开关单元包括模拟开关电路；dac单元包括若干个d/a转换器；d/a转换器分别与压控电流源电路、模拟开关电路相连。mcu微控制器单元采用arm或fpga微控制器；电压转换模块包括若干个转换电源单元。
27.数字电路控制模块包括mcu微控制器单元；mcu微控制器单元为dac单元设置电压
调控信号，确定调谐信号电压初值和线性速率；mcu微控制器单元分别与dac单元、电压转换模块、参数配置通信接口模块相连；dac单元与信号调理电路模块相连。
28.为了满足单、双激光源发射的tdlas系统的快速线性调谐目的，基于mcu微控制器，采用数字电路控制模块和信号调理电路结合方式，并且采用从电压指定初值(vu)的锯齿线性调谐信号，能够灵活可控地对tdlas系统进行调谐信号操作。数字电路控制模块通过mcu微控制器单元实现；信号调理电路基于压控电流源并结合模拟开关电路和大电容充放电电路产生驱动波形。电流调谐控制器通过接收上位机设置的波形参数要求，控制电路产生锯齿波形周期性扫描信号，扫描信号实现对激光发射模块电流驱动系统的调谐控制。电容c电压初值由d/a设置为vu＝(0
‑
2.5v)；对电容充电时，开关断开，由恒流电流源对电容充电。此时电容电压为vt＝vu (i/c)*t。恒流电流源电流(i＝v/r)也由另一个da设置v＝(0～2.5v)。当相关参数确定时，能够通过两个d/a转换器确定调谐控制电压的初值和线性速率。扫描信号为锯齿波，采用电流扫描方式能够使激光发射模块的频率达到mhz，在短时间内能够对多次扫描信号累加消除信号中的一些随机噪声，提高系统检测精度。
29.本实施例中采用24vdc作为输入电压，在电压转换模块中分别设置3.3v，
±
5v，
±
15v三种电压的转换电源单元，3.3v的acdc电源为mcu微控制器单元供电，
±
5v的dcdc电源为信号运算放大模块供电，
±
15v的dcdc电源除了为dac单元、模拟开关电路供电，如有需要还能够为跨导放大电路供电，而跨导放大电路中常采用opa860跨导放大器。在tdlas系统中的激光发射单元采用分布反馈半导体激光器(dfb)及其驱动装置，试验系统工作过程中，温度控制器始终维持激光器工作在最适温度范围，通过改变激光器的驱动电流，就能够实现激光器在一定范围内进行波长扫描，激光携带能量穿过待测区域，获得目标分子的吸收谱线进而达到分析的目的。
30.参照图4所示，本实用新型的调谐参数设定和工作模式选择由上位机软件进行设定，上位机软件通过计算机的usart通信接口与mcu微控制器的rs485通信接口相连接，实现上位机软件的配置信息接收，进而控制本实用新型选择特定工作模式和产生特定电流调谐信号。mcu微处理器与ad5684r转换器的接口通过spi串行总线实现，使用与dsp处理器和微控制器兼容的协议。
31.参数配置通信接口模块包括通信接口和usb转换器接口；通信接口与mcu微控制器单元相连。通信接口采用uart串口通信协议。mcu具有两个i2c，三个spi，两个i2s，三个usart和一个usb，方便与外围器件如dac进行通信，剩余的端口能够给设计留有足够的扩展空间。此外，mcu的内部资源还包括一组eeprom和一组备用寄存器，能够在断电后保存设置参数，下次开机时继续使用。且mcu器件还具有1.8至3.6v宽电源的工作能力，在
‑
40至 85℃和
‑
40至 105℃的温度范围内使用，实现了全面的省电模式以及低功耗应用。
32.设计参数包括：产生的信号类型包括直流和锯齿波调谐信号，调谐频率1.6khz
‑
5khz可调；信号幅值设定范围0
‑
8v；相位1ms
‑
10ms可调，调节分辨率为10us；占空比可调范围0
‑
100％；产生完全独立的2路信号输出，实现单、双激光电流调谐信号灵活可控，工作模式可控。工作模式包括信号调谐模式、直流模式、关断模式；其中调谐模式为信号控制器产生特定频率、幅值、占空比的锯齿波电流调谐信号，驱动电流大于激光发射模块的阈值电流，激光器输出光信号；直流模式为信号控制器产生特定幅值的直流信号；关断模式为该状态下，调谐信号幅值输出接近0v，经过驱动器变换后，驱动电流小于激光发射模块的阈值电
流，激光发射模块不输出光信号。且单、双激光源电流调谐信号能够切换，调谐信号控制器通过接收模式选择配置参数，能够切换单激光调谐和双激光调谐两种工作模式，调谐信号产生模式取决于所示的配置参数和mcu微控制器程序设计。
33.参照图5所示，单激光源驱动模式适用于由一个dfb激光发射模块构成的双谱线温度吸收光谱分析系统。在这种系统中。一个dfb激光发射模块负责两条谱线，其特点是两条谱线都获得较大的输出功率，在吸收谱线选择时受限于两条吸收谱线的波长之间的距离，也能够以获得最快的分析速度。该模式成本较低，需要一套激光发射模块，调谐控制只需要单通道输出。
34.单光源驱动模式工作时，单个dfb激光发射模块输出较宽谱线的激光。一个调谐信号周期能够以分为两个状态或阶段(t1，t2)，tr1是光源1的调谐控制器的触发信号，ch1调谐控制器的输出信号。以ch1说明t1，t2的调谐过程：
35.1)t1＝10us：快速充电状态。在t1时，利用电压vu(可调)通过电阻r对电容c快速放电。经过3
‑
5个rc后，充电过程基本结束。所以当t1>>rc时，该状态使电容充电到vu。
36.2)t2＝30
‑
190us：线性调谐状态。在t2时，电路通过压控恒流源对电容c恒流充电，设充电电流为i,电容器容量为c，初始电压为vu。故，任意时刻t，电容上的电压为：vt＝vu (i/c)*t。当初始电压vu，充电电流i和充电时间t2都可调时，ch1能够在t2阶段输出线性的调谐电压，控制激光发射模块实现激光调谐。
37.3)t3＝10us：快速放电状态。该状态下充电状态结束，电容c中电压通过电阻r迅速降到0v。
38.参照图6所示，双激光源驱动模式适用于由两个dfb激光发射模块构成的双谱线温度吸收光谱分析系统。在这种系统中，每个dfb激光发射模块分别负责一条谱线，其特点是不仅能够使两条谱线都获得较大的输出功率，而且在吸收谱线选择时具有更大的灵活性，还能够获得最快的分析速度，但成本较高。除需要两套激光发射模块、温度控制模块外，调谐控制也需要双通道输出。
39.双激光源电流驱动模式工作时，两个dfb激光发射模块交替驱动激光出光。一个调谐信号周期能够分为四个状态或阶段(t1，t2，t3，t4)，单周期时间可调。tr1是光源1的调谐控制器的触发信号，ch1调谐控制器的输出信号；tr2是光源2的调谐控制器的触发信号，ch2调谐控制器的输出信号；tr1和tr2互为反相。ch1的t1在时间上对应ch2的t3；t2在时间上对应ch2的t4。下面以ch1说明一个周期内(t1，t2，t3，t4)信号的调谐过程：
40.1)t1＝10us：快速充电状态。在t1时，利用电压vu(可调)通过电阻r对电容c快速充电。根据rc充电放电原理，vt＝v0 (vu
‑
v0)*[1
‑
exp(
‑
t/rc)]，如果v0＝0，充电电压vu＝e，当t＝rc时，电容电压＝0.63e；当t＝2rc时，电容电压＝0.86e；当t＝3rc时，电容电压＝0.95e；当t＝4rc时，电容电压＝0.98e；当t＝5rc时，电容电压＝0.99e；在经过3
‑
5个rc后，充电过程基本结束。所以当t1>>rc时，该状态使电容充电到vu。
[0041]
2)t2＝30
‑
90us：线性调谐状态。在t2时，电路通过恒流源对电容c恒流充电，设充电电流为i,电容器容量为c，初始电压为vu。故，任意时刻t，电容上的电压为：vt＝vu (i/c)*t。当初始电压vu，充电电流i和充电时间t2都可调时，ch1能够在t2阶段输出线性的调谐电压，控制激光发射模块实现激光调谐。
[0042]
3)t3＝t1＝10us：快速放电状态。该状态下，通过电阻r对电容c快速放电到0v。
[0043]
4)t4＝t2＝30
‑
90us：激光关断状态。该状态下，调谐电压输出接近0v，经过驱动器变换后，驱动电流小于激光发射模块的阈值电流，激光发射模块1不输出光信号。
[0044]
本实用新型的有益效果：
[0045]
本实用新型的单、双激光源高速电流调谐信号控制器能够用于tdlas系统，对tdlas系统中使用的dfb激光器波长扫描特定范围进行调谐，通过电路和软件设计实现对tdlas系统单、双激光模块的快速线性调谐目的和激光器在一定范围内进行波长扫描，保证了调谐信号控制器的低成本和稳定性。
[0046]
以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。