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大功率半导体激光器驱动与控制技术的研究4


第四章

基于 GPIB 的 LD 驱动器电流稳定度自动 测量系统的设计

4.1

引言
为了便于测量第三章中所设计的恒流驱动器输出电流的稳定度,

设计了一个基于 GPIB 接口的自动测量系统。 硬件部分采用计算机通 过 GPIB 接口和标准设备命令语言(SCPI)进行控制;软件部分采用

微软公司的 Visual Basic 作为设计平台,结合模块化编程结构,完成 整个程序的设计。 在介绍 GPIB 接口规范和 M2000 数字繁用表程控方 法的基础上,着重阐述了软件部分的组成模块——程序界面、快速测 量模块、连续测量模块、数据保存模块和错误提示模块的编程方法及 程序流程。 在组成完整的测量系统后, 进行了实际的测量任务的实验, 验证了本设计的可行性。

4.2

电流稳定度自动测量系统的技术规范

4.2.1GPIB 标准与 GPIB 接口卡 通用接口总线 GPIB(General Purpose Interface Bus)是一种统 一的、国际通用的、适用于自动测试系统中联结任何类型仪器的“标 准化接口系统” HP 公司 1972 年提出了针对智能仪器的接口总线标 。 准 HP-IB,这是最早出现的通用仪器总线标准,即后来的 IEEE-488 和 IEEE-488.2 标准[32]。

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GPIB 首次规范了接口功能,规定了控者、讲者、听者等始终接
口功能。其发展相对成熟,性能也比较可靠,它广泛用于工业现场和 一般的实验条件中的基础测试,是目前台式仪器的主流接口总线。国 外各大仪器制造商如 HP、Fluke 以及美国国家仪器公司(NI)生产的 数字仪表普遍配备了 GPIB 接口,同时提供了相应的软件支持[33,34]。

GPIB 标准接口总线作为一个国际标准,它具体规定了接口在机
械、电气和功能三个方面的有关要求和标准,保证了仪器互联的兼容 性。GPIB 总线是一条 24 芯的无源电缆线,其中有 16 条作为信号线 用,其余做逻辑地或外屏蔽用。电缆两头是双列 24 芯叠式结构,可 以一个一个叠插在一起。如图 4.1 所示。

图 4.1

GPIB 接口结构

GPIB 总线的基本性能有以下 7 个方面:
(1)用总线连接若干台可程控仪器组成自动测试系统。系统中 在一台 PC 上可以使用两张 GPIB 接口卡, 仪器数量最多不超过 15 台。 最多可控制 31 台仪器; (2)互连电缆的传输路径总长度不超过 20 米;

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(3)数据传输采用并行 bit(位) 、串行 Byte(字节)双向异步 传输方式,最大传输速率不超过 1MB/s; (4)信息逻辑采用负逻辑,低电平(≤+0.8V)为“1” ,高电平 (≥2V)为“0” ; (5)一般情况下一个控制系统只有一个控制器(发送各种控制 信息进行数据处理) 。若一个控制系统中包含多个控制器,则在同一 时间里只有一个控制器起作用,其余处于空闲状态; (6)一般适用于电子干扰轻微的实验室和生产场所; (7)有较好的灵活性和兼容性。 4.2.2GPIB 接口卡 测量系统所使用的 MEASUREMENT COMPUTING 公司的 PCI-

GPIB 接口卡,该接口卡具有通用性强,特别适合于 PC 使用,其一端
为 PCI 接口另一端为 GPIB 接口,其安装过程与普通 PCI 插卡的安装 一致。 在硬件安装完成后需要安装相应的驱动程序才能正常使用, 另外 为了使计算机和示波器能够通信,必须在启动软件之前设置 GPIB 接 口卡的类型以及涉及的接口参数。一般来说,一台计算机可以装两块

GPIB 接口卡(GPIB0 和 GPIB1) ,而每一个 GPIB 接口卡可以连接 1
,在进行连接后可以对接口卡以及器件的 6 个器件(DEV1-DEV16) 名称进行修改,设置的主要过程如下: 首先,设置接口卡的类型。运行 CONFIG 程序,在弹出的对话 框中选择 NEXT>” 接下来将弹出设置接口卡 GPIB0 类型的对话框, “ , (见图 4.2)。再选择“NEXT>”可设置第二块接口卡的类型。

46

图 4.2

GPIB 接口卡类型设置

其次,运行 CBCONF 程序,选择“Edit GPIB0 Board Option”, 如图 4.3 所示。再选择“GPIB0 Board Options”即可编辑 GPIB0 接 口卡的信息,包括接口卡的名字,安装完成度,接口卡的类型,I/O 地址等信息.

图 4.3

编辑接口卡界面

再次,在“GPIB0 Board Options”下列出了 16 个器件的列表, 以“DEV1”-“DEV16”来表示,选择相应的器件,例如选择“DEV1 Device Options” ,见图 4.4,选择“Name of Device”即可更改器件 的名称,本课题种使用的是默认设置.见图 4.5。 最后, 要设置器件的初级地址, “Primary GPIB Address ” 选择 , 因为 Agilent54810A 示波器的默认地址是 7,所以应把器件地址也设 置为 7,以实现匹配,进而完成通信,见图 4.5。
47

GPIB 接口卡的测试:GPIB 软件提供的 CBTEST 程序可以快速
监测 GPIB 接口卡是否安装完好、软硬件的配置是否准确。

图 4.4

设备选择界面

图 4.5

设备属性设置界面

运行 CBTEST 之后, 在其窗口内将显示所配置软硬件的正确性, 包括:接口卡的类型、基础地址、中断级别、DAM 通道等信息,并 且会把所改变的信息状态显示在窗口中。如果安装设置正确,则在窗 口中将显示所有的信息为完好状态,内容如下: Testing board #0–GPIB0 Checking Board Type-OK Base Address Test-OK Interrupt Test-OK 4.2.3M2000 数字繁用表的使用

GPIB 接口的控制对象为吉时利公司的 M2000 数字繁用表(Kei
thely M2000 Digital MuiltMeter) M2000 是一款显示精度达到六 。 位半的高性能数字繁用表。在六位半精度下,通过 IEEE-488 总线, 他可以在一秒内传输 50 对的测量数据。 而在 4 位半精度下, 秒内可 1 以将 2000 组的读数存储在表内的缓存中。M2000 最大的特点是,宽
48

阔的测量范围、完整的测量功能、内置存储能力和对远程控制接口和 对设备编程的良好支持。 一、 前面板介绍

M2000 的前面板,如图 4.6 所示。它基本概括了对繁用表进行
操作前应该了解的重要的信息。从图中可以看到,M2000 的前面板可 以分为 8 个部分: (1) 测量功能选择功能键组(包括第一功能和第二功能) (2) 功能设置键组 (3) 第二功能设置键组 (4) 测量范围选择键 (5) 屏幕指示图标 (6) 前面板输入端口 (7) 输入选择按钮 (8) 提手/支撑杆

图 4.6

M2000 数字繁用表前面板示意图

二、 后面板介绍

M2000 的后面板,如图 4.7 所示。其中:

49

(1) 扩展插槽——用于添加扫描卡 (2) 后面板输入端口——实现与前面板输入相同的功能 (3) 触发器接口——用于连接引入触发脉冲的触发电缆 (4) RS-232 接口——串行总线连接器 (5) IEEE-488 接口——GPIB 总线连接器 (6) 电源模块——包括保险丝和工作电压设置模块

图 4.7

M2000 数字繁用表后面板示意图

三、 基本测量步骤 对于基本测量而言,测量的步骤是类似的: (1) 按照测量要求, 正确的连接测量端和面板上的测量输入端口; (2)在前面板 1 区选择欲测量的功能; (3)设置测量范围,如果不能确定可以选择自动选择; (4)将测量端头接入待测电路; (5)观察多用表屏幕,如果出现 OVERFLOW,则调整测量范围; (6)完成读数。 四、 GPIB 主地址设置 仪器中的 GPIB 主地址,必须与前面的板卡设置中提到的 GPIB
50

仪器设置中设置的 GPIB 主地址和编程中使用的地址保持一致,才 能正确的实现对仪器的控制。M2000 默认的主地址是 16,用户也可 以在不与总线上其他设备冲突的前提下,在 0 到 30 之间进行设置。 要通过计算机实现对 M2000 的操作,需要进行下面几个步骤: (1)在 M2000 上选择接口类型(RS-232 或者 GPIB) ; (2) 选择控制设备采用的语言 SCPI, ( 196/199, 8840A/8842A) ; (3)编写程序,进行控制。

4.3

电流稳定度自动测量系统的设计与应用

4.3.1ATS 的软件设计 软件设计是基于 VB 和 GPIB 接口的程控数字繁用表自动检测系 统的核心部分, 测量控制计算机对测量仪表进行的所有操作都是通过 软件进行的,它完成所有测量参数的配置、测量命令的发送、测量数 据的保存和测量数据的处理等任务[35]。 系统采用微软公司的 Visual Basic 软件作为软件设计平台,采用 模块化结构,完成整个程序的设计。软件设计的思想是通过 VB 程序 的可视化操作设计控件,通过程序利用控件完成参数的设置,功能的 选择和数据的显示,根据计算机操作调用各个测量子程序进行测量, 结果输出和分析[36-40]。 一、功能介绍 软件的界面包括主界面和附加窗体, 测量工作是在主界面的基础 上完成的。在 VB 编程环境下设计窗体,利用控件实现仪器前面板各 功能按键的移植。程序界面如图 4.8 所示。通过代码的编辑,在软件 运行时,将自动加载 GPIB 及仪器信息。通过六个单选框可以选择不
51

同的参数以进行单点测量,程序将调用测量模块进行相应的测量,然 后用相应的指令使测量数据显示在黑色背景的标签上, 同时自动保存 在程序所在当前目录中。 界面的设计重点在界面的美观和功能的实现上, 采用单选框实现 六个参量的切换,用标签来显示测量数据及单位,用复选框设定快速 测量,用命令按钮实现复位,退出等操作。

图 4.8

M2000 自动测量系统界面

二、 快速测量模块 快速测量模块是针对简单的、需要快速返回的、单次测量的数据 需求而设计的。这种测量任务通常不需要很多的数据处理和图表指 示,使用者往往只需要看到当前的测量结果,以便对电路工作状态进 行判断。在软件中采用六个单选框模拟仪器的按键,用标签显示返回 的测量值。
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开始

测量功能选择

直 流 电 压

交 流 电 压

直 流 电 流

交 流 电 流









进行测量

改变功能? N N 退出测量? Y 返回

Y

图 4.9

快速测量模块程序流程图

在快速测量中,基于方便软件使用者的思想,只需选中相应的单 选框即可进行测量,并会返回测量值。想改变测量功能时,直接选中 待测量的功能即可实现测量功能的转换,数据的测量及显示,高度模 拟仪器的本地操作。测量结束后,会自行调用数据保存模块,将数据 保存在程序所在当前目录下。程序流程如图 4.9 所示。
53

快速测量主要是 SCPI 指令、 GPIB 指令和 VB 编程语言三者结合 的运用。大致可分为三部分:功能的选择,数据的读取,数据的显示 和保存。 三、 连续测量模块 连续测量模块,主要用于对电路进行一段时间的监视,可以是测 量间隔较短,测量时间较短的高频短期测量,也可以是测量间隔长, 测量时间也长的,低频长期测量。连续测量设置界面如图 4.10 所示。

图 4.10

连续测量功能设置界面

高频短期测量主要用于对电子量变化较快的电路进行测量, 采用 的测量方式是通过 M2000 自带的连续测量功能和表中具有的 1024 的缓冲区来完成的。 测量前, 需要设置连续测量的触发源、 触发方式、 计数间隔及缓冲区大小等参数,在设备开启后,便会开始预定的连续 测量,在测量结束后,计算机会自动进行判断,并一次性取回测量结 果。 低频长期测量主要用于对电路的稳定性等变化缓慢的量进行测 量, 整个测量过程, 包括测量时间间隔的设定、 数据的保存和绘图等, 都是在计算机的控制下完成的。这种测量往往持续几小时,甚至几十 小时,可是在测量的同时对测的数据进行绘图表示,可以记录取得数

54

据的时间的参数。 程序中采用 If 选择控制结构, 结合窗体控件进行编程, , VB GPIB,

SCPI 三种语言结合运用。在程序初始定义变量,然后进行选择判断,
符合 i < p 的条件时则进行下一步判断, 否则测量任务结束; 符合 i < p 的条件时,再判断当前选择的测量参数,然后执行测量,数据读取和 保存等指令;测量任务结束时,关闭计时器功能,并调用消息提示对 话框,提示任务结束和文件保存的路径。 四、 数据保存模块 数据保存模块,是在每一次测量任务结束之后,执行数据保存任 务,其功能是将之前的所有测量数据进行保存,系统将自动生成文件 名,以备在以后的工作中查找使用。程序流程见图 4.11。此模块主要 是对文件进行操作,如起名、路径设定、打开、复制、关闭等。
开始

输入文件名

临时文件转存

清空临时文件

返回

图 4.11

数据保存模块流程图

五、 错误提示模块 错误提示模块,主要是为了保证软件正常运行,在使用者在误操

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作时进行提示,并重新载入系统设置,并且在连续测量任务完成时给 予提示,如图 4.12 所示。在下列情况发生时,执行提示窗体,显示相 应提示: (1) 误操作; (2) 连续测量任务完成 (3) 输入格式与指定格式不符; (4) 输入数据超过量程。

图 4.12

错误提示模块示例

此模块重点在于对循环控制的掌握和条件的判断, 当输入不符合 指定条件时停止执行程序,初始化系统,并提示错误。 4.3.2 电流稳定度的测量与分析 一般来说,根据数据测量时间的长短不同,稳定度又分为长期稳 定度和短期稳定度。但是,长期和短期目前并没有一个明确的界定。 基于 LD 驱动器自身的特点和要求,将输出电流的短期稳定度定义为

1 小时内, 长期稳定度定义为 10 小时内, 输出电流测量值的标准差与
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平均值的比值[41,42]。为保证测量的准确性及可靠性,采取间接的测量 方法:通过测量采样电阻两端的电压间接得到其电流值。我们选用的 取样电阻是阻值为 1Ω的精密电阻。电压测量采用本设计中的测量系 统——计算机控制的 M2000 测量系统。具体测试条件为:驱动器输 出电流 30mA,取样电阻为阻值为 1Ω的精密电阻,短期稳定度采样 频率为每 36 秒钟一个数据。 长期稳定度采样频率为每 10 分钟一个数 据[24]。测量数据分别见表 4.1 和表 4.2。
表4.1 输出电流一小时稳定度测量数据(节选) 电压(V) +2.99657338E-02 +2.99646205E-02 +2.99651699E-02 时间(s) 2557 3205 3853 电压(V) +2.99672493E-02 +2.99696803E-02 +2.99715163E-02

时间(s) 613 1261 1909 表4.2

输出电流十小时稳定度测量数据(节选) 电压(V) +2.99646308E-02 +2.99673814E-02 +2.99713463E-02 时间(m) 120 240 360 电压(V) +2.99664258E-02 +2.99672038E-02 +2.99539281E-02

时间(m) 10 30 60

根据实测数据绘制的取样电阻上的电压变化曲线如图4.13所示。

图 4.13 取样电阻两端电压变化曲线
57

利用工具软件MATLAB对数据进行了3阶拟合[43],拟合后的数据曲 线如图4.14所示。根据稳定度的定义,得到稳定度的公式4.1.

图 4.14 利用 MATLAB 3 阶拟合后的数据曲线

稳定度S=

标准差Δ 平均值ave

(4.1)

其中,标准差 Δ 计算公式如下:

标准差Δ=

∑(X
i =1

n

i

? X )2

n ?1

(4.2)

平均值计算公式如下:

平均值ave =

∑X
i =1

n

i

n

(4.3)

根据拟和曲线,可以获得计算短期电流稳定度所需的数据。由此 可以计算出输出电流的稳定度为:

短期稳定度 S =

标准差 Δ 9 .0483 × 10 ?7 = ≈ 30 ppm (4.4) 平均值 ave 2 .9967 × 10 ? 2 标准差 Δ 11 .3869 × 10 ?7 = ≈ 38 ppm (4.5) 平均值 ave 2 .9964 × 10 ? 2
58

长期稳定度 S =

第五章
5.1 引言

2.5A 恒温控制器的研究与设计

尽管半导体激光器是高效率的电子-光子转换器件, 但由于不可 避免地存在各种非辐射复合损耗、自由载流子吸收等损耗机制,使其 外微分量子效率只能达到 20%~30%, 这意味着相当部分注入的电功 率将转化为热量,引起激光器温度升高。温度对激光器的影响主要有 以下几个方面[18]: (1) 温度对阈值电流的影响:随着温度的升高将引起阈值电流 的增大, 使输出功率下降。 从而给控制器的设计带来困难。 (2) 温度对 V-I 关系的影响:由图 5.1 可知,当注入电流相等 时,温度高的激光器对应的正向压降也大,这会给半导体 激光器恒流源的设计带来困难。 (3) 温度对输出波长的影响:由于有源层材料的禁带宽度随温 度升高而变窄, 使激射波长向长波方向移动, 即红移现象。 红移量与器件的结构和有源区材料有关, 约为 0.2~0.3nm/ ℃。 因此, 可以用适当的温度控制来微调激光的峰值波长, 以满足对波长要求严格的一些应用。 (4) 温度对 P-I 曲线非线性的影响: 理想情况下, 半导体激光 器的 P-I 应该是线性曲线,PN 结过热是产生非线性的原 因之一。除此之外,来自于有源区中横(侧)模的不稳定 性,来自外部的反射光(如从连接器,尾纤端等部位)以 及与光强有关的饱和等因素也能造成非线性。其中模式的
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