基于A(yíng)D7896的激光器出射功率測量與控制設計

1 系統原理
1．1 半導體激光器結構原理
半導體激光器的電氣符號及其結構如圖1所示。它由激光發(fā)射部分LD和激光接收部分PD構成。LD和PD封裝在一個(gè)管殼中，共用一個(gè)公共端點(diǎn)，并與管子的金屬外殼相連。激光驅動(dòng)電壓分別經(jīng)過(guò)一個(gè)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受光后的轉換電流。由LD發(fā)出的激光強度暫且稱(chēng)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，在連續工作情況下結區溫度升高較快，閾值電流也相應發(fā)生變化。當溫度升高時(shí)，激光器發(fā)射功率隨之下降，發(fā)射出的激光會(huì )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(jìn)行出射光補償。補償方法是在激光器前面加裝一個(gè)可通過(guò)步進(jìn)電機調整的偏振鏡，調整偏振鏡的角度，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(另有半導體制冷裝置調節)適當地加大發(fā)射功率，可通過(guò)偏振鏡調整輸出與存儲文件中相對應的光強度信息，從而保證輸出激光對相紙掃描曝光的失真。
1．3 測量控制系統框圖
測量控制系統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(gè))、放大電路、12位ADC轉換電路、步進(jìn)電機控制模塊等組成，其基本框圖如圖2所示。

驅動(dòng)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(jìn)行放大，以適合ADC轉換；微處理器AT89C52接收到ADC轉換后的數字信息，再通過(guò)軟件與設定值比較，發(fā)出PWM脈沖控制信號，驅動(dòng)步進(jìn)電機動(dòng)作，以改變激光器出射處偏振鏡的偏轉角度，調整半導體激光器的出射功率達到穩定。
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轉換器。該產(chǎn)品有8腳Plastic DIP，Lead Cerdip和SOIC三種封裝形式，且帶有內部時(shí)鐘。它的外圍接線(xiàn)極其簡(jiǎn)單，AD7896的轉換時(shí)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(shí)的時(shí)序圖。在此模式下，啟動(dòng)信號CONVST一般處于高電平。當CONVST輸入一個(gè)負脈沖，其下降沿將啟動(dòng)一次轉換．該信號觸發(fā)BUSY由低電平變?yōu)楦唠娖?，并標記轉換正在進(jìn)行。經(jīng)過(guò)最大8μs時(shí)間后轉換結束，BUSY自動(dòng)從高電平變?yōu)榈碗娖?，然后?6個(gè)時(shí)鐘脈沖讀出轉換數據進(jìn)行存儲，時(shí)鐘脈沖頻率最大為10 MHz(+5 V供電)，讀出數據時(shí)間最短為1．6μs，再經(jīng)過(guò)400 ns時(shí)間等待，在下一次轉換開(kāi)始時(shí)，數據串行移位輸出，整個(gè)轉換時(shí)間最短為10μs。

2 硬件電路的設計
2．1 放大電路的設計
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(shí)一般僅數微安至數十毫安，所以選用性能價(jià)格比較高的AD707作為減法運算放大器。圖4為實(shí)際的應用放大電路。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(guò)R40構成反饋電路，電路中R34和R22構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(guò)調整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，提高系統的穩定性。