基于AD7896的激光器出射功率測(cè)量與控制設(shè)計(jì)

　0 引 言

　　現(xiàn)代數(shù)碼激光彩色沖印系統(tǒng)是將存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中含有光電信號(hào)的圖像信息轉(zhuǎn)換成激光束控制信號(hào)，分別控制R，G，B三支半導(dǎo)體激光器發(fā)出不同強(qiáng)度的激光束，再會(huì)聚成各種色彩對(duì)感光相紙進(jìn)行逐行掃描而成像。雖然半導(dǎo)體激光器所發(fā)出的激光具有單色性好，方向性好，發(fā)射角小，輸出功率大，工作穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)，使用方便等眾多優(yōu)點(diǎn)；但激光作為現(xiàn)代數(shù)碼彩色沖印系統(tǒng)中感光相紙的光源，每一支半導(dǎo)體激光器都會(huì)受周圍溫度變化和本身壽命等的影響，這種影響會(huì)直接反映到所沖印彩色照片的色彩層次、輪廓、清晰度、鮮艷度等。為了有效防止半導(dǎo)體激光器出射光功率的變化對(duì)沖印照片造成的色彩失真，提高沖印照片的色彩純真度，通過(guò)自動(dòng)測(cè)量并自動(dòng)控制R，G，B三支半導(dǎo)體激光器的出射功率，可以保證系統(tǒng)沖印彩色照片的質(zhì)量，同時(shí)可大大減少系統(tǒng)設(shè)備的維護(hù)維修時(shí)間，提高服務(wù)能力和經(jīng)濟(jì)效益。

　　1 系統(tǒng)原理

　　1．1 半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)原理

　　半導(dǎo)體激光器的電氣符號(hào)及其結(jié)構(gòu)如圖1所示。它由激光發(fā)射部分LD和激光接收部分PD構(gòu)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(qū)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(zhuǎn)換電流。由LD發(fā)出的激光強(qiáng)度暫且稱作發(fā)射功率。

　　1．2 半導(dǎo)體激光器功率測(cè)量與控制原理

　　半導(dǎo)體激光器是一種熱功率器件，在連續(xù)工作情況下結(jié)區(qū)溫度升高較快，閾值電流也相應(yīng)發(fā)生變化。當(dāng)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(chǔ)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(bǔ)償。補(bǔ)償方法是在激光器前面加裝一個(gè)可通過(guò)步進(jìn)電機(jī)調(diào)整的偏振鏡，調(diào)整偏振鏡的角度，以改變出射光強(qiáng)度(出射功率)，在激光器溫度變化較小的范圍內(nèi)(另有半導(dǎo)體制冷裝置調(diào)節(jié))適當(dāng)?shù)丶哟蟀l(fā)射功率，可通過(guò)偏振鏡調(diào)整輸出與存儲(chǔ)文件中相對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)度信息，從而保證輸出激光對(duì)相紙掃描曝光的失真。

　　1．3 測(cè)量控制系統(tǒng)框圖

　　測(cè)量控制系統(tǒng)中的主要硬件電路由微處理器AT89C52、光電探測(cè)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(zhuǎn)換電路、步進(jìn)電機(jī)控制模塊等組成，其基本框圖如圖2所示。

　　驅(qū)動(dòng)電路提供半導(dǎo)體激光器所需要的工作電流；光電探測(cè)器測(cè)量激光發(fā)射功率和出射功率的變化；放大電路對(duì)所采集的微弱電壓變化信號(hào)進(jìn)行放大，以適合ADC轉(zhuǎn)換；微處理器AT89C52接收到ADC轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信息，再通過(guò)軟件與設(shè)定值比較，發(fā)出PWM脈沖控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作，以改變激光器出射處偏振鏡的偏轉(zhuǎn)角度，調(diào)整半導(dǎo)體激光器的出射功率達(dá)到穩(wěn)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(zhuǎn)換器。該產(chǎn)品有8腳Plastic DIP，Lead Cerdip和SOIC三種封裝形式，且?guī)в袃?nèi)部時(shí)鐘。它的外圍接線極其簡(jiǎn)單，AD7896的轉(zhuǎn)換時(shí)間為8μs，采用標(biāo)準(zhǔn)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(hào)CONVST一般處于高電平。當(dāng)CONVST輸入一個(gè)負(fù)脈沖，其下降沿將啟動(dòng)一次轉(zhuǎn)換．該信號(hào)觸發(fā)BUSY由低電平變?yōu)楦唠娖剑?biāo)記轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。經(jīng)過(guò)最大8μs時(shí)間后轉(zhuǎn)換結(jié)束，BUSY自動(dòng)從高電平變?yōu)榈碗娖剑缓笥?6個(gè)時(shí)鐘脈沖讀出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，時(shí)鐘脈沖頻率最大為10 MHz(+5 V供電)，讀出數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換開始時(shí)，數(shù)據(jù)串行移位輸出，整個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)間最短為10μs。

　　2 硬件電路的設(shè)計(jì)

　　2．1 放大電路的設(shè)計(jì)

　　由于半導(dǎo)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(shù)微安至數(shù)十毫安，所以選用性能價(jià)格比較高的AD707作為減法運(yùn)算放大器。圖4為實(shí)際的應(yīng)用放大電路。圖4中JGT為紅色激光器光電探測(cè)器輸出端(連接在激光器第3腳)，經(jīng)電阻R1輸入到運(yùn)算放大器AD707的同相端，反相端通過(guò)R40構(gòu)成反饋電路，電路中R34和R22構(gòu)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(diào)整R34校準(zhǔn)三基色的比例。JGT采樣到的電壓信號(hào)uJGT經(jīng)減法運(yùn)算后從AD707第6引腳輸出，其大小為：

　　集成運(yùn)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(tǒng)的穩(wěn)定性。

　　2．2 ADC轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

　　ADC轉(zhuǎn)換電路見圖5。

　　用一片CD4051分別對(duì)RGB三支激光器的6個(gè)采樣信號(hào)進(jìn)行選通，由Y0輸出送入AD7896進(jìn)行轉(zhuǎn)換。其中，LDR，LDG，LDB為激光器發(fā)射端的探測(cè)電壓放大值；LDRO，LDGO，LDBO為激光器出射端的探測(cè)電壓放大值，選通信號(hào)由單片機(jī)AT89C52的P10，P11，P12控制。各路激光探測(cè)電壓通過(guò)ADC轉(zhuǎn)換后的數(shù)值與存放在AT24C08(圖中未畫出)的標(biāo)準(zhǔn)值(校準(zhǔn)激光出射光強(qiáng)度使用)進(jìn)行比較，若由激光出射端測(cè)得的電壓大于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，則控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，以減小激光出射光；若由激光出射端測(cè)得的電壓小于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，則控制步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，以增加激光出射光。步進(jìn)電機(jī)的控制由AT89C52的P0口輸出PWM脈沖來(lái)控制。

　3 軟件設(shè)計(jì)

　　整個(gè)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)主要包括采樣信號(hào)的選通控制、ADC7896中模擬串行總線接口的程序控制、步進(jìn)電機(jī)PWM輸出控制，以及數(shù)值分析與邏輯處理等，其流程圖如圖6所示。

　　軟件設(shè)計(jì)充分考慮了生產(chǎn)調(diào)試和日后維修的方便。由于三支激光器的性能差異較大，調(diào)試時(shí)需根據(jù)激光器提供的參數(shù)，校準(zhǔn)出正確的三基色比例值，校準(zhǔn)后存入AT24C08芯片中，供工作時(shí)取出該值與當(dāng)前激光器發(fā)射光強(qiáng)度數(shù)字化后的值進(jìn)行比較，若偏離，則自動(dòng)通過(guò)偏轉(zhuǎn)鏡進(jìn)行校正。

　　以下是AT89C52與AD7896的模擬通信匯編程序，端口定義：

　　4 結(jié) 語(yǔ)

　　在此所述的基于AD7896的半導(dǎo)體激光器出口功率的測(cè)量與控制設(shè)計(jì)是某數(shù)碼設(shè)備開發(fā)公司的一個(gè)委托項(xiàng)目，經(jīng)過(guò)一年的開發(fā)，主要解決了國(guó)內(nèi)同類型機(jī)器在激光掃描相紙成像過(guò)程中，因激光出射功率的變化，對(duì)沖印照片色彩的影響，同時(shí)也解決了日后機(jī)器的維護(hù)維修以及方便調(diào)整等問題。對(duì)半導(dǎo)體激光器的使用壽命有一定的提高，對(duì)我國(guó)數(shù)碼沖印設(shè)備的發(fā)展也具有較好的推廣價(jià)值。

　　該文的創(chuàng)新點(diǎn)：對(duì)激光的功率測(cè)量采用2路光電探測(cè)器，1路為發(fā)射激光功率測(cè)量，1路為出射功率測(cè)量；對(duì)激光出射功率的調(diào)整采用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)偏振鏡旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)，非常適合激光器電流不固定的掃描應(yīng)用；激光器正常使用的標(biāo)準(zhǔn)電壓值存于ROM存儲(chǔ)器，監(jiān)測(cè)發(fā)生變化后由微處理器控制調(diào)節(jié)，且激光器使用一段時(shí)間后可根據(jù)現(xiàn)狀實(shí)時(shí)改變?cè)撝担蟠蠓奖懔司S護(hù)與維修。