נכון לעכשיו, סמיקונדקטור לייזר (LD) נמצא בשימוש נרחב בתחומים רבים כגון תקשורת, בדיקת מידע, טיפול רפואי ועיבוד מדויק וצבאי. ספק כוח הלייזר הוא חלק חשוב ממכשיר הלייזר, וביצועיו משפיעים ישירות על האינדיקטורים הטכניים של מכשיר הלייזר כולו. עיצוב זה משתמש במקור זרם קבוע הנשלט על ידי DSP כדי לספק זרם עבור הלייזר המוליך למחצה. במעגל, עיקרון המשוב השלילי משמש לשליטה בזרם המוצא של הכוח המרוכב וסת כדי להשיג את המטרה של ייצוב זרם המוצא. המערכת משתמשת בשילוב של תכנון מעגלים ותכנון אלגוריתמי בקרת תוכניות כדי לזהות ולשלוט במצב העבודה של הלייזר המוליך למחצה בזמן אמת מהיבטים רבים, כך שביצועי המערכת משתפרים ומשתפרים מאוד, ופותרים ביעילות את הדיוק של הלייזר המוליך למחצה. , בעיות יציבות ואמינות שיפרו עוד יותר את מדדי הפלט של לייזרים מוליכים למחצה.
עקרון המערכת
כדי להפוך את פלט הלייזר ללייזר בעל אורך גל יציב, הזרם הזורם דרך הלייזר נדרש להיות יציב מאוד, ולכן מעגל אספקת החשמל בוחר במקור זרם קבוע יציב בעל רעש נמוך. ניתן לכוון את זרם מקור הזרם הקבוע ברציפות בין 0A ל-3A כדי להתאים למפרטים שונים של לייזרים. כיום, הפיתוח המשני של ספקי כוח לייזר מוליכים למחצה מאמץ בדרך כלל מערכות מעגלים טהורים של חומרה או בקרת שבב בודד. עם מיקרו-עיבוד משובץ עם הפיתוח המהיר של DSP, בקרה דיגיטלית המבוססת על DSP יכולה לפתור בצורה יעילה יותר את הבעיות של יציבות, דיוק ואמינות של עבודת לייזר מוליכים למחצה. העיקרון של הפיתוח המשני של DSP מוצג באיור 1.
איור 1 דיאגרמת מערכת סכמטית
השמיים מתח פלט אות הבקרה על ידי ה-DSP מופץ למגבר התפעולי, המוגבר על ידי המגבר התפעולי ופלט כדי לשלוט על הרגולטור המרוכב המורכב מהטריודה 8050 והווסת TIP122. פולט צינור הרגולטור מחובר בסדרה עם a ממסר ודגימה בעוצמה גבוהה נַגָד. קח את אות המתח משני הקצוות של נגד הדגימה ושלח אותו למעגל המגבר הדיפרנציאלי U2 כדי לקבל את המתח על נגד הדגימה. אות מתח זה עובר דרך עוקב מתח ונכנס לערוץ כניסת האות האנלוגי של ה-ADC הנשלט על ידי ה-DSP. ה-ADC ממיר את האות האנלוגי המבוא לאות דיגיטלי, ולאחר מכן ה-DSP מבצע עיבוד נתונים על האות הדיגיטלי שהומר. נגד הדגימה הוא נגד סרט מתכת בעל הספק גבוה של 0.15Ω, הדורש מקדם טמפרטורה טוב. מקדם ההגברה של המגבר התפעולי U1 קובע את דיוק בקרת הזרם. ככל שמקדם ההגברה קטן יותר, כך דיוק הפלט הנוכחי גבוה יותר. במקביל, גורם ההגברה של מעגל המשוב הדיפרנציאלי U2 ישפיע גם על דיוק הבקרה של הזרם. ככל שמקדם ההגברה גדול יותר, כך יציבות הזרם גבוהה יותר, אך טווח היציאה של הזרם הולך וקטן. במקרה של מתח בקרה מסוים, הבחירה המדויקת של הכפולה של המגבר התפעולי U1 ושל המכפלה של מעגל המשוב הדיפרנציאלי U2 תהפוך לגורם חשוב בקביעת דיוק הפלט הנוכחי וטווח הפלט הנוכחי של מקור הזרם הקבוע.
איור 2 זרימת עבודה של המערכת
מערכת בקרה TMS320F2812
מעגל התכנון מבוסס על מעבד האותות הדיגיטלי TMS320F2812. ספק הכוח מורכב ממספר חלקים כגון מעגל בקרה, מעגל הגנה ומעגל ראשי, ביניהם DSP ממלא תפקיד מרכזי. משימות הבקרה העיקריות הן: 1. שליטה במערכת רכישת הנתונים. באמצעות ה-ADC של 12 סיביות שמגיע עם שבב ה-DSP, הבקרה מתבצעת בהתאם לאות הדגימה לאחר עיבוד אריתמטי PID. פקודת התחלת המרת הנתונים נשלטת על ידי הפין XF של F2812, כלומר, הפין XF מוגדר לרמה גבוהה על ידי תוכנה כדי לשלוט בהמרת הנתונים של ה-ADC. לאחר השלמת המרת הנתונים, האות BUSY ישתנה לרמה נמוכה, יפעיל את פסיקת ה-F2812, ויקרא את הנתונים משורת הנתונים של 16 סיביות D[15:0] באופן מיידי. קוד הנתונים של מערכת זו הוא קוד משלים של שני. F2812 מעבד את הנתונים שהתקבלו, מאחסן אותם ושולח אותם אליו LCD לתצוגה בזמן אמת.
פילטר דיגיטלי ותוכנת מערכת
עיצוב פילטר דיגיטלי
לאור החסרונות של תכנון הסינון הנוכחי בתהליך הפיתוח הקודם של פרויקט זה, מוצג כעת מסנן דיגיטלי המבוסס על TMS320F2812 לסינון אות הדגימה הנוכחי. על מנת לעצב את המסנן במהירות ובנוחות, השתמש ישירות בספריית הפונקציות של ספריית הסינון שמספקת TI לעיצוב. שלבי התכנון הם כדלקמן: על פי דרישות המשימה בפועל, קבע את מחווני ביצועי המסנן; ב- Matlab, קרא לפונקציה ezfir בספריית פילטרים כדי לדמות; לקבוע את הערך של כל פרמטר על פי תוצאות הסימולציה; קרא לתוכנית ההרכבה filter.asmDSP בספריית הסינון מודול, והעתק את ערכי פרמטר הסימולציה ב-Matlab לתוכנית, והטמיע סינון ב-F2812.
איור 3 עקומת בקרת מקור זרם קבוע
עיצוב תוכנת מערכת
זרימת העבודה של המערכת מוצגת באיור 2. לאחר ההפעלה, המערכת מתחילה בבדיקה עצמית. לאחר השלמת הבדיקה העצמית, הוא נכנס לאתחול המערכת, כולל DSP, DAC, LCD, ובקר הפסיקות הפנימי והמונה של ה-DSP. לאחר שהמערכת מוכנה, היכנס לאתחול מסך. הפעל את ההפסקה במקלדת והמתן עד שהמקש יבחר בפונקציה המתאימה. אם נבחרה "הגדרת פרמטר", הקש על מקש העבודה כדי להיכנס לממשק "הגדרת פרמטרים", ותוכל להגדיר את ערכי המתח, הזרם וההספק. לאחר ההגדרה, חזור למסך האתחול והפעל את הלייזר לעבוד. לאחר שהמערכת נכנסת למצב ריצה, המשתמש עדיין יכול להגדיר ערך חדש מבלי להפסיק את הלייזר. לאחר השלמת ההגדרה, הלייזר יפיק לייזר בהתאם לדרישה החדשה.
כאשר ישנה שגיאה בתהליך הבדיקה והבקרה העצמית של המערכת, או שהמערכת בעלת זרם יתר או מתח יתר, תוכנית ההגנה תיקרא אוטומטית. כאשר המערכת מושבתת או ניתוק החשמל בפתאומיות, על מנת למנוע מהמתח בשני קצוות הלייזר לרדת לאפס, המערכת נוקטת בשיטת כיבוי מלא. העיקרון הוא להפחית בהדרגה את הפלט של הערך הנדגם עד שהוא יורד לאפס לפני שהכיבוי מתאפשר.
הערות לסיום
מאמר זה קובע באופן ניסיוני שההגדלה של U1 ו-U2 היא כולן 1, זרם המוצא הוא 0A"3A מתכוונן, והספק הלייזר הוא 0W"2W מתכוונן. הצגת מערכת בקרת DSP השתפרה משמעותית בהשוואה לבקרת שבב בודד הקודמת. מתבטאת בעיקר ב: בשל רמת האינטגרציה הגבוהה והביצועים הטובים של TMS320F2812, למערכת יש את היתרונות של גודל קטן, מהירות מהירה, יכולת עיבוד חזקה, אמינות גבוהה וצריכת חשמל נמוכה; שיטת הסינון הדיגיטלי ב-TMS320F2812 פשוטה ויעילות הפיתוח משופרת. . לאחר השלמת תכנון הדרייבר ומעגל ההגנה של הלייזר המוליך למחצה, יתבצעו ריתוך וניפוי באגים. טבלה 1 מציגה את הקשר בין מתח הבקרה לזרם המוצא של מקור הזרם הקבוע ב-25°C. איור 3 הוא עקומת בקרת מקור זרם קבוע המשורטטת על סמך הנתונים בטבלה 1. טווח מתח המוצא הוא 0V"5V, ושיעור השגיאה של זרם המוצא הוא 0.1%. למתח המוצא והזרם יש קשר ליניארי, העומד בדרישות..