ในปัจจุบัน, สารกึ่งตัวนำ เลเซอร์ (LD) ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในหลายสาขา เช่น การสื่อสาร การตรวจสอบข้อมูล การรักษาพยาบาล และการประมวลผลที่มีความแม่นยำ และการทหาร แหล่งจ่ายไฟเลเซอร์เป็นส่วนสำคัญของอุปกรณ์เลเซอร์ และประสิทธิภาพส่งผลโดยตรงต่อตัวบ่งชี้ทางเทคนิคของอุปกรณ์เลเซอร์ทั้งหมด การออกแบบนี้ใช้แหล่งกำเนิดกระแสคงที่ซึ่งควบคุมโดย DSP เพื่อจ่ายกระแสให้กับเซมิคอนดักเตอร์เลเซอร์ ในวงจรจะใช้หลักการป้อนกลับเชิงลบเพื่อควบคุมกระแสเอาต์พุตของกำลังคอมโพสิต เครื่องควบคุม เพื่อให้บรรลุวัตถุประสงค์ในการรักษาเสถียรภาพของกระแสไฟขาออก ระบบใช้การผสมผสานระหว่างการออกแบบวงจรและการออกแบบอัลกอริธึมการควบคุมโปรแกรมเพื่อตรวจจับและควบคุมสถานะการทำงานของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบเรียลไทม์จากหลาย ๆ ด้าน เพื่อให้ประสิทธิภาพของระบบได้รับการปรับปรุงและปรับปรุงอย่างมาก และแก้ไขความแม่นยำของ เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ , ปัญหาด้านความเสถียรและความน่าเชื่อถือได้ปรับปรุงตัวบ่งชี้เอาท์พุตของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ให้ดียิ่งขึ้น
หลักการของระบบ
ในการทำให้เลเซอร์เอาท์พุตเป็นเลเซอร์ที่มีความยาวคลื่นคงที่ กระแสที่ไหลผ่านเลเซอร์จะต้องมีความเสถียรมาก ดังนั้นวงจรจ่ายไฟจะเลือกแหล่งกำเนิดกระแสคงที่ที่มีสัญญาณรบกวนต่ำและคงที่ กระแสไฟคงที่ของแหล่งจ่ายกระแสคงที่สามารถปรับได้อย่างต่อเนื่องระหว่าง 0A และ 3A เพื่อปรับให้เข้ากับข้อกำหนดเฉพาะที่แตกต่างกันของเลเซอร์ ในปัจจุบัน การพัฒนารองของอุปกรณ์จ่ายไฟเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์โดยทั่วไปใช้ระบบวงจรฮาร์ดแวร์บริสุทธิ์หรือการควบคุมแบบชิปเดียว ด้วยการประมวลผลแบบไมโครในตัว ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของ DSP การควบคุมแบบดิจิตอลโดยใช้ DSP สามารถแก้ปัญหาด้านความเสถียร ความแม่นยำ และความน่าเชื่อถือของงานเซมิคอนดักเตอร์เลเซอร์ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น หลักการพัฒนารองของ DSP แสดงไว้ในรูปที่ 1
รูปที่ 1 แผนผังระบบ
พื้นที่ แรงดันไฟฟ้า เอาต์พุตสัญญาณควบคุมโดย DSP จะส่งออกไปยังแอมพลิฟายเออร์สำหรับการดำเนินงาน ซึ่งขยายโดยแอมพลิฟายเออร์สำหรับการปฏิบัติงานและเอาต์พุตเพื่อควบคุมตัวควบคุมคอมโพสิตที่ประกอบด้วยไตรโอด 8050 และเรกูเลเตอร์ TIP122 อีซีแอลของหลอดเรกูเลเตอร์เชื่อมต่อแบบอนุกรมกับ a ถ่ายทอด และการสุ่มตัวอย่างกำลังสูง ตัวต้านทาน. นำสัญญาณแรงดันไฟจากปลายทั้งสองด้านของตัวต้านทานสุ่มตัวอย่างแล้วส่งไปยังวงจรขยายสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียล U2 เพื่อรับแรงดันไฟบนตัวต้านทานสุ่มตัวอย่าง สัญญาณแรงดันไฟฟ้านี้ส่งผ่านตัวติดตามแรงดันไฟฟ้าและเข้าสู่ช่องสัญญาณอินพุตแบบอะนาล็อกของ ADC ที่ควบคุมโดย DSP ADC จะแปลงสัญญาณอนาล็อกอินพุตเป็นสัญญาณดิจิตอล จากนั้น DSP จะทำการประมวลผลข้อมูลบนสัญญาณดิจิทัลที่แปลงแล้ว ตัวต้านทานสุ่มตัวอย่างเป็นตัวต้านทานฟิล์มโลหะกำลังสูงที่0.15Ω ซึ่งต้องใช้ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิที่ดี ปัจจัยการขยายของแอมพลิฟายเออร์ในการดำเนินงาน U1 กำหนดความแม่นยำในการควบคุมปัจจุบัน ยิ่งปัจจัยการขยายสัญญาณที่เล็กลงเท่าใด ความแม่นยำของเอาต์พุตในปัจจุบันก็จะยิ่งสูงขึ้น ในเวลาเดียวกันปัจจัยการขยายของวงจรป้อนกลับที่แตกต่างกัน U2 จะส่งผลต่อความแม่นยำในการควบคุมกระแสด้วย ยิ่งปัจจัยการขยายสัญญาณมากเท่าใด ความเสถียรของกระแสก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น แต่ช่วงเอาต์พุตของกระแสจะเล็กลง ในกรณีของแรงดันไฟฟ้าควบคุม การเลือกที่ถูกต้องของตัวขยายสัญญาณปฏิบัติการ U1 และวงจรป้อนกลับที่แตกต่างกันหลายตัว U2 จะกลายเป็นปัจจัยสำคัญในการกำหนดความถูกต้องของเอาต์พุตปัจจุบันและช่วงเอาต์พุตปัจจุบันของแหล่งจ่ายกระแสคงที่
รูปที่ 2 เวิร์กโฟลว์ระบบ
ระบบควบคุม TMS320F2812
วงจรการออกแบบใช้โปรเซสเซอร์สัญญาณดิจิตอล TMS320F2812 แหล่งจ่ายไฟประกอบด้วยหลายส่วน เช่น วงจรควบคุม วงจรป้องกัน และวงจรหลัก ซึ่ง DSP มีบทบาทหลัก งานควบคุมหลักคือ 1. ควบคุมระบบเก็บข้อมูล การใช้ ADC 12 บิตที่มาพร้อมกับชิป DSP การควบคุมจะดำเนินการตามสัญญาณสุ่มตัวอย่างหลังจากการประมวลผลทางคณิตศาสตร์ PID คำสั่งเริ่มต้นการแปลงข้อมูลถูกควบคุมโดยพิน XF ของ F2812 นั่นคือพิน XF ถูกตั้งค่าเป็นระดับสูงโดยซอฟต์แวร์เพื่อควบคุมการแปลงข้อมูลของ ADC หลังจากการแปลงข้อมูลเสร็จสิ้น สัญญาณ BUSY จะเปลี่ยนเป็นระดับต่ำ ทริกเกอร์การขัดจังหวะ F2812 และอ่านข้อมูลจากสายข้อมูล 16 บิต D[15:0] ทันที รหัสข้อมูลของระบบนี้เป็นรหัสเสริมของสอง F2812 ประมวลผลข้อมูลที่ได้รับ บัฟเฟอร์ และส่งไปที่ จอแอลซีดี เพื่อการแสดงผลแบบเรียลไทม์
การออกแบบซอฟต์แวร์ตัวกรองและระบบดิจิตอล
การออกแบบตัวกรองดิจิตอล
เมื่อพิจารณาถึงข้อบกพร่องของการออกแบบการกรองในปัจจุบันในกระบวนการพัฒนาก่อนหน้าของโครงการนี้ ขณะนี้มีการใช้ตัวกรองดิจิทัลที่ใช้ TMS320F2812 เพื่อกรองสัญญาณการสุ่มตัวอย่างในปัจจุบัน เพื่อที่จะออกแบบตัวกรองได้อย่างรวดเร็วและสะดวก ให้ใช้ไลบรารีฟังก์ชัน filterlibrary ที่ TI จัดเตรียมไว้ให้โดยตรงในการออกแบบ ขั้นตอนการออกแบบมีดังนี้: ตามความต้องการของงานจริง กำหนดตัวบ่งชี้ประสิทธิภาพตัวกรอง ใน Matlab ให้เรียกใช้ฟังก์ชัน ezfir ในไลบรารี filterlibrary เพื่อจำลอง กำหนดค่าของแต่ละพารามิเตอร์ตามผลการจำลอง เรียกโปรแกรมแอสเซมบลี filter.asmDSP ในไลบรารี filterlibrary โมดูลและคัดลอกค่าพารามิเตอร์การจำลองใน Matlab ไปยังโปรแกรม และใช้การกรองบน F2812
รูปที่ 3 เส้นโค้งควบคุมแหล่งจ่ายกระแสคงที่
การออกแบบซอฟต์แวร์ระบบ
เวิร์กโฟลว์ของระบบแสดงในรูปที่ 2 หลังจากเปิดเครื่อง ระบบจะเริ่มการตรวจสอบตัวเอง หลังจากการตรวจสอบตัวเองเสร็จสิ้น จะเข้าสู่การเริ่มต้นระบบ ได้แก่ DSP, DAC, จอแอลซีดีและตัวควบคุมการขัดจังหวะภายในและตัวนับของ DSP หลังจากที่ระบบพร้อมแล้ว ให้เข้าสู่การบูต จอภาพ. เปิดแป้นพิมพ์ขัดจังหวะและรอให้ปุ่มเลือกฟังก์ชันที่เกี่ยวข้อง หากเลือก "การตั้งค่าพารามิเตอร์" ไว้ ให้กดปุ่มทำงานเพื่อเข้าสู่อินเทอร์เฟซ "การตั้งค่าพารามิเตอร์" และคุณสามารถตั้งค่าแรงดันไฟฟ้า กระแสไฟ และพลังงานได้ หลังจากตั้งค่าแล้ว ให้กลับไปที่หน้าจอเริ่มต้นและเริ่มต้นเลเซอร์เพื่อทำงาน หลังจากที่ระบบเข้าสู่สถานะการทำงานแล้ว ผู้ใช้ยังสามารถตั้งค่าใหม่ได้โดยไม่ต้องหยุดเลเซอร์ หลังจากการตั้งค่าเสร็จสิ้น เลเซอร์จะส่งออกเลเซอร์ตามข้อกำหนดใหม่
เมื่อมีข้อผิดพลาดในกระบวนการตรวจสอบและควบคุมระบบ หรือระบบมีกระแสไฟเกินหรือแรงดันไฟเกิน โปรแกรมป้องกันจะถูกเรียกโดยอัตโนมัติ เมื่อระบบปิดตัวลงหรือไฟฟ้าดับกะทันหัน เพื่อป้องกันไม่ให้แรงดันไฟที่ปลายทั้งสองของเลเซอร์ลดลงเหลือศูนย์ ระบบจะใช้วิธีปิดเครื่องแบบสมบูรณ์ หลักการคือค่อยๆ ลดเอาต์พุตของค่าตัวอย่างจนเหลือศูนย์ก่อนที่จะอนุญาตให้ปิดเครื่อง
สรุปข้อสังเกต
บทความนี้ทดลองกำหนดว่ากำลังขยายของ U1 และ U2 เป็น 1 ทั้งหมด กระแสไฟขาออกปรับได้ 0A”3A และกำลังเอาต์พุตเลเซอร์ปรับได้ 0W”2W การแนะนำระบบควบคุม DSP ได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับการควบคุมชิปตัวเดียวก่อนหน้านี้ ส่วนใหญ่ปรากฏใน: เนื่องจากระดับการรวมสูงและประสิทธิภาพที่ดีของ TMS320F2812 ระบบจึงมีข้อดีของขนาดที่เล็ก ความเร็วที่รวดเร็ว ความสามารถในการประมวลผลที่แข็งแกร่ง ความน่าเชื่อถือสูงและการใช้พลังงานต่ำ วิธีการกรองแบบดิจิทัลใน TMS320F2812 นั้นง่ายดาย และปรับปรุงประสิทธิภาพการพัฒนา . หลังจากการออกแบบไดรเวอร์และวงจรป้องกันของเซมิคอนดักเตอร์เลเซอร์เสร็จสิ้น การเชื่อมและการดีบักจะต้องดำเนินการ ตารางที่ 1 แสดงความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันควบคุมและกระแสเอาต์พุตของแหล่งจ่ายกระแสคงที่ที่ 25°C รูปที่ 3 เป็นกราฟควบคุมแหล่งกำเนิดกระแสคงที่ซึ่งวาดขึ้นตามข้อมูลในตารางที่ 1 ช่วงแรงดันเอาต์พุตคือ 0V”5V และอัตราความผิดพลาดของกระแสเอาต์พุตคือ 0.1% แรงดันไฟขาออกและกระแสมีความสัมพันธ์เชิงเส้นตรงซึ่งตรงตามข้อกำหนด