Termostat pro stabilizaci laserové diody

Termostat pro stabilizaci laserové diody

Zařízení popsané v příspěvku je určeno ke stabilizaci teploty polovodičového čipu laserové diody. Při změně teploty čipu se mění index lomu aktivní vrstvy a délka čipu, což má za následek změnu optické délky rezonátoru a tím i změnu vlnové délky (optického kmitočtu) generovaného světla. Stabilizace teploty diody je pro dosažení stabilní vlnové délky generovaného světla kritická.

Vzhledem k jednofrekvenční povaze výstupního záření (single-mode operation) je dotyčná dioda určena k použití v projektovaném laserovém interferometru s absolutním měřením vzdáleností. V případě použití detekční techniky s přelaďováním vlnové délky (Wavelength Scanning Interferometry – WSI) [1] je požadovaná stabilita vlnové délky menší než 5 · 10^–12 m. Ze závislosti vlnové délky světla na pracovní teplotě diody lze určit, že teplota diody musí být stabilizována s odchylkou menší než 1 mK.

Blokové schéma řetězce pro stabilizaci teploty diody

Vzhledem ke složitosti stabilizační úlohy, kdy změnou mechanické konstrukce držáku diody může dojít ke změnám časových i převodních konstant tepelného systému, je vhodným řešením pro elektronický systém s digitálním zpracováním signálů. V takovém případě lze spolu s vlastním regulátorem teploty diody implementovat do systému algoritmy pro automatickou identifikaci parametrů tepelné soustavy.

Blokové schéma stabilizačního řetězce je na obr. 1. K řízení pracovní teploty diody je použit Peltie`rův článek, k němuž je dioda připevněna společně se snímačem teploty. Podle velikosti a polarity stejnosměrného proudu tekoucího Peltie`rovým článkem dochází k „pumpování“ tepla buď směrem od diody k vnějšímu chladiči, nebo opačně. Laserová dioda se tak ohřívá či ochlazuje. Za snímač teploty slouží integrovaný senzor AD22100, který obsahuje termistorové čidlo teploty a linearizační zesilovač s napěťovým výstupem [http://www.analog.com/pdf/AD22100]. Údaj ze senzoru teploty je veden do šestnáctibitového sigma delta A/D převodníku AD7715 [http://www.analog.com/pdf/AD7715]. Digitalizovaný signál z A/D převodníku je následně přiveden přes sériové synchronní rozhraní SPI (Serial Peripheral Interface) do řídicího procesoru elektroniky.

Spolu s dostatečnou dynamikou regulace je požadována také velká rychlost zpracování vstupního signálu, neboť k dosažení většího rozlišení vstupního signálu je nutné tento dále filtrovat. Proto byl k řízení elektroniky zvolen šestnáctibitový signálový procesor DSP56F805 od firmy Motorola [http://www.motorola.com/pdf/DSP56805]. V něm jsou vedle filtrace signálu realizovány také číslicový PID regulátor, algoritmy identifikace stabilizované teplotní soustavy a komunikace s okolím (obsluha displeje, klávesnice a komunikační sběrnice).

PID algoritmus v procesoru vypočítá proud, který má protékat Peltie`rovým článkem, na základě porovnání teploty naměřené snímačem s požadovanou teplotou. Současně se tyto údaje zobrazují na displej. Pro přenos všech zpracovávaných a vypočtených digitálních signálů do vzdáleného počítače PC je použita sériová sběrnice CAN.

Hodnota proudu vypočtená v signálovém procesoru je přes rozhraní SPI odesílána do osmnáctibitového D/A převodníku AD1861 [http://www.analog.com/pdf/AD1861]. Napěťový výstup D/A převodníku je převeden pomocí zdroje proudu s výkonovým operačním zesilovačem na výstup proudový s rozsahem ±1 A. Na tento proudový výstup je pak připojen Peltie`rův článek. Celé zařízení je napájeno ze zdroje stabilizovaného napětí.

Provedení elektroniky

Elektronika termostatu je rozdělena na desku plošného spoje s převodníky, signálovým procesorem a napájecími a výkonovými obvody a na desku se zobrazovačem, klávesnicí a rotačním kodérem. Při návrhu obou desek byl kladen velký důraz na prostorové oddělení číslicové a analogové části. Z tohoto důvodu je část převodníků situována do plechového boxu temperovaného na teplotu 40 °C, čímž je dosaženo větší přesnosti a stability jejich pracovních parametrů.

Programové vybavení
Hlavními součástmi programového vybavení jsou implementované algoritmy PID regulátoru a automatického rozpoznávání konstant regulovaného obvodu.

Proces regulace teploty diody probíhá ve dvou základních pracovních režimech. První je identifikační (ladicí) režim, kdy je regulovaná soustava rozkmitána s kritickou periodou Zieglerova-Nicholosova kritéria, z níž jsou pak určeny příslušné konstanty PID regulátoru. Druhým režimem je poté standardní PID regulace.

Systém tedy funguje podle obr. 3 jako přenosový regulátor v ladicím režimu (RGM = „SELF„) a jako standardní PID regulátor v regulačním režimu (RGM = „CONTROL„).

Konkrétně je při ladění namísto PID regulátoru zařazen do regulačního obvodu diskrétní dvojhodnotový regulátor. Ten způsobí, že regulovaná veličina kmitá kolem žádané hodnoty s tzv. kritickou periodou t_c a amplitudou a. Amplitudu akční veličiny označíme d. Kritické zesílení k_c Zieglerova-Nicholsova kritéria určíme jako

Konstanty regulátoru určíme podle vztahů

K_P = 0,6k_c     (2)

T_I = 0,5t_c     (3)

T_D = 0,125t_c     (4)

PID algoritmus regulátoru je použit ve složkovém tvaru, s rekurentním výpočtem integrační složky, tj. ve výpočtu je používána její předchozí hodnota

kde T_o je perioda vzorkování.

Velikost akční veličiny je omezená (v našem případě je proud do Peltie`rova článku omezen jeho parametry na 0,8 A). Vypočítané hodnoty proudu však mohou být větší a je nutné je omezit.

Další nepříznivý jev provázející digitální realizaci regulátoru je „přetečení“ integrační složky v případě, kdy regulační odchylka je delší dobu velká (např. v okamžiku zapnutí regulace). Dosáhne-li akční veličina maxima a regulační odchylka je nenulová, začne integrační složka narůstat a jsou vypočítávány velké, nerealizovatelné hodnoty akčního zásahu, přičemž integrační složka začne klesat až při změně polarity odchylky. Výsledkem jsou velké překmity regulované veličiny, popř. ztráta stability a rozkmitání celého systému. Tomuto „přetečení“ integrační složky (tzv. wind-up efect) je nutné bránit omezením velikosti integrační složky na interval ±u_max. Zvolili jsme u_max = 0,6 A jako kompromis mezi velikostí přetečení a pásma lineárního chování regulátoru.

Filtrace signálů

Vzorkovací kmitočet A/D převodníku je 50 Hz, který lze, vzhledem k předpokládaným časovým konstantám regulované soustavy řádově stovky sekund, pokládat za až příliš velký.

Signály je nutné filtrovat z důvodu zúžení šířky pásma, a tedy dosažení většího odstupu signálu od šumu. Použité softwarové filtry typu FIR jsou implementovány v signálovém procesoru. Použity jsou celkem dva filtry, a to jeden na vstupu a druhý při výpočtu derivační složky PID regulátoru. Tyto softwarové filtry jsou 64vzorkové s mezní frekvencí 2,8 Hz a regulační proces zpomalí o 1,2 s. Jejich frekvenční charakteristiky jsou na obr. 4.

Závěr

Kompletní termostat pro stabilizaci teploty laserové diody je na obr. 5. Přepočtený vlastní šum vstupního řetězce se snímačem teploty je menší než 0,25 mK a výstupní proud lze s osmnáctibitovou dynamikou nastavovat v rozsahu ±1 A. Do systému je implementován software pro signálový procesor, tedy algoritmus číslicové PID regulace a algoritmy identifikace parametrů regulované soustavy. Kompletní vývoj probíhá v Ústavu přístrojové techniky AV ČR v Brně ve spolupráci s FEKT VUT Brno.

Poděkování
Práce vznikla za podpory výzkumného záměru MSM 262200022 MSMT, projektů č. 102/02/P122 a 102/02/1318 Grantové agentury ČR a projektu č. IAA206/5202 Grantové agentury AV ČR.

Ing. Vít Matoušek
(matousv@feec.vutbr.cz),
Ústav mikroelektroniky, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
a Ústav přístrojové techniky Akademie věd ČR, Brno,
Ing. Ondřej Číp, Ph.D.,
Ing. Petr Jedlička,
Ústav přístrojové techniky Akademie věd ČR, Brno