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1、华中科技大学 硕士学位论文 基于DSP的半导体激光器电源设计 姓名：张前进 申请学位级别：硕士 专业：物理电子学 指导教师：朱晓 20060429 I 摘摘 要要 半导体激光器具有转换效率高、体积小、重量轻、可靠性高、能直接调制以 及能与其他半导体器件集成等特点，正在国民经济和国防建设的各个领域中发挥 着越来越重要的作用。 半导体激光器电源系统对于激光器的可靠工作和寿命有着至关重要的影响， 半导体激光器电源发展的趋势是：智能化和模块化。本文以TI公司最新推出的微 处理器TMS320LF2407为控制核心,对半导体激光器电源模块的二次开发提出了探 索性的研究。利用DSP芯片的高运算能力以及专门用
2、于控制领域的丰富的外设， 将数字控制所需的微处理器功能集成到一块芯片中，与目前的电源控制系统相 比，硬件数量大大减少，提高了集成度。首先，由于本芯片提出了新的硬件要求， 所以在控制电路、低压供电电路、外部基准电压电路等硬件设计部分给出了优化 实现方案，其他硬件部分主要包括输出电流的采集和处理以及数字电位器的驱动 等。其次，本文提出了PID算法，以电源系统为仿真对象，运用MATLAB模型， 采取PID算法进行电流闭环控制，对PID参数进行了仿真验证和分析。仿真结果表 明，该方案的输出电流波形质量好，动态响应快速，超调量小，性能满足指标要 求，提高了系统实时性，从而提高了电源系统的整体性能。 最后
3、，设计了数字化控制系统的相关软件。具体包含系统初始化、软启动的 实现、A/D转换的实现、电路采样和滤波、数字电位器驱动、PID调节器等，并通 过实验验证了软件的可行性。 本控制系统为全数字控制，控制是在软件中实现的，可以在完全不改电路的 情况下，对系统进行升级，完善其功能，同时数字控制还带来抗干扰性强、可靠 性高、调试方便等优点。实验结果证明，该系统具有良好的输出特性，能够完成 对模块电源的数字化控制。 关键词：关键词：激光电源 DSP VICOR模块 数字电位器 PID算法 II Abstract Semiconductor lasers exhibit a lot of very impo
4、rtant features which are different from other kinds of lasers such as compactness ,light weight , high wall-plug efficiency ,long operational lifetime ,ability to be directly modulated with the electrical signal of high frequency up to 10 GHz. They can be integrated with similarly construction devic
5、es such as modulator or switches .Thus ,semiconductor lasers have been playing more and more important role in the fields of the national economy. The electrical drive sources of semiconductor lasers have very important effect on their operational lifetime and reliability. The developing direction o
6、f current laser power supply is being digital, being intelligentized and being modularized. The paper gives out the groping research about the second-design with the microprocessor TMS320LF2407 which TI company lately promulgates as the control core, and the electrical drive sources as the research
7、object .Taking advantage of the DSP chips high calculating ability and the abundant external facilities that are especially used for control yield, we can integrate the microprocessor function for digital control, the periphery circuits into a piece of chip. Compared with current power supply contro
8、l system, the hardware quantity is consumedly reduced, and the integration degree is increased in this system . First, according to the new hardware request of this chip, the optimum realizing project of the control circuit, low-pressure power supply circuit and external referenced control circuit i
9、s gave out，other hardware parts primarily include the sampling and processing of output current and driving of digitally-controlled potentiometer . The paper brings up the PID algorithm aimed at the control system. With the system as the simulation object, using MATLAB model, adopting the PID algori
10、thm to proceed the current closed loop control, I verified and analyzed the PID parameters. The simulation result shows that the output current wave of this project has good performance such as fast transient response, little overshoot which meets to the requirement, improves system real-time qualit
11、y and improves the whole performance of the power supply. Finally, the related software of digital control of the system is designed. In details, it includes the system initialization, the realization of soft start and III A/D transformation, the current sampling filter, the drive of digitally-contr
12、olled potentiometer and PID modulator etc And then the softwares possibility is verified by experiment. The control system is total digital control with the control project realized all in software, so that we can promote system to higher grade and perfect its function in condition of completely not
13、 changing the hardware. At the same time, digital control can bring the advantages of strong anti-disturbance, high dependability, debug convenience. The experiment result proved that the control system have excellent input- output characteristic, can achieve the digital control of module power supp
14、ly. Key words：Lasers power supply DSP VICOR module Digitally-Controlled Potentiometer PID algorithm 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的 个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结 果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用
15、学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日日期： 年 月 日 保密，在 年解密后适用本授权书。 不保密。 1 1 绪论绪论 1.1 半导体激光器的发展及应用半导体激光器的发展及应用 激光是二十世纪人类科学历史上最伟大的发明之一，它的发明深化了人们对 于光的认识，扩展了光为人类服务的天地，形成了对于传统光的
16、技术革命，标志 着人类掌握和利用光进入了一个崭新的时代。1958年美国科学家汤斯（C.Townes） 和肖洛克（A.Schalow）发明了首篇描述光频产生激光作用的论文，1960年梅曼 （T.Maiman）在他们的建议下发明了人类历史上第一台红宝石激光器。此后激光 科学和技术的发展一日千里，激光功率不断提高，激光强度高达10 21 W/cm 2 ，激 光器件也得到了巨大的发展。激光不仅对传统科学和技术的发展产生了巨大的影 响，还且还开创了许多新兴领域。目前，激光在科学研究、工农业生产、信息科 学、国防安全、娱乐文化和环境保护等领域的应用日益深入。现在全球范围内的 激光产业已经形成，一些导致重大变革的重要应用项目正在试验或完善中，如激 光分离同位素、激光受控核聚变等。 半导体激光器以其转化效率高、体积小、重量轻、可靠性高、能直接调制以 及与其他半导体器件集成的能力强等特点而成为信息技术的关键，其发展速度之 快、应用范围之广、波长覆盖范围之宽都是其他任何类型激光器所不能比拟的。 它的出现使得作为光纤通讯成为现实并得以迅速发展，使
