自1971年Kurbativ等人首次制備出半導體SLED以來，SLED得到了驚人的發(fā)展。特別是近幾年，其在光纖陀螺儀、光纖傳感、光時域發(fā)射儀等方面得到了廣泛的應用。SLED兼有LD和LED的優(yōu)點，是一種自發(fā)輻射單程光放大非相干光源，具有發(fā)射譜寬、高輸出功率、體積小、質(zhì)量輕的特點。另外，由于其時間相干性短和空間相干性長，能有效地將光耦合進單模光纖。
　　對于SLED來說，其出射光功率及中心波長會隨著驅(qū)動電流和管芯溫度的漂移而發(fā)生變化。為了獲得良好的光源性能，SLED管芯的電流和溫度控制精度必須達到一定的水平?；趯崿F(xiàn)輸出功率穩(wěn)定、可靠，輸出波長準確的目的，筆者設(shè)計了基于MSP430F449單片機的智能數(shù)字化SLED控制系統(tǒng)。
　　SLED特點介紹
　　系統(tǒng)采用了美國DenseLignt公司的DL-CS5029N SLED光源組件，它采用了標準的DIL14腳帶尾纖的耦合封裝，內(nèi)置了熱敏電阻和制冷器。內(nèi)置的熱敏電阻具有負溫度系數(shù)，阻值隨溫度升高而減小，常溫下（25℃）阻值為10kΩ。其中，該光源組件的TEC的制冷電壓最高為1.8V，制冷電流為0.8A，在設(shè)計驅(qū)動電路時注意不要超過這個參數(shù)限制。
　　當光源工作時，溫度會升高，這對輸出功率影響很大。當輸入電流不變時，輸出功率隨溫度的升高而減小，而且溫度過高也會影響光源的使用壽命。因此，要想穩(wěn)定功率，解決驅(qū)動電流和溫度的問題很重要。SLED的驅(qū)動控制多采用恒流控制和制冷器控制，當溫度不變時，輸出光功率就隨電流增加而增加?；谏厦孢@幾點特性要求，穩(wěn)定輸出功率的驅(qū)動光源電路要從控制驅(qū)動電流和制冷器入手，通過穩(wěn)定電流和溫度，間接來穩(wěn)定輸出光功率。
　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理
　　系統(tǒng)主要實現(xiàn)了恒流驅(qū)動及恒溫控制等功能。整個系統(tǒng)由單片機控制。單片機采用MSP430系列的F449單片機，它是TI公司推出的超低功耗16位單片機，尤其適合于小型的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計。其集成12位ADC和采樣保持電路，采樣速度快，最高可達200ks/s。系統(tǒng)中，電橋電路對溫敏電阻進行電壓采樣，送入ADC進行轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過內(nèi)部的PID控制程序，通過DAC2輸出一個電壓來控制專用的半導體制冷器（TEC）控制芯片，以達到對SLED進行溫度控制的目的。恒流功能由DAC1結(jié)合恒流源電路來實現(xiàn)。系統(tǒng)原理如圖1所示。
　　
　　圖1 控制系統(tǒng)原理圖
　　恒流源電路設(shè)計
　　系統(tǒng)對恒流源的要求是電流高度穩(wěn)定，漂移和噪聲足夠小。采用高精度DAC作為恒壓源，再通過V-I轉(zhuǎn)換電路就構(gòu)成了數(shù)字式恒流源，電路原理如圖2所示。本系統(tǒng)采用美信公司的12位串行DAC MAX5812結(jié)合兩個運放組成V-I轉(zhuǎn)換電路。其中，MAX5812與單片機的通信采用串行I2C總線，需注意的是其SDA、SCL管腳在使用時要外接上拉電阻。
　　
　　圖2 恒流源電路原理圖
　　該恒流源克服了模擬式恒流源的缺點，可以根據(jù)系統(tǒng)需要靈活地改變電流的大小，且其精度與穩(wěn)定度與DAC精度有關(guān)，如果采用更高位數(shù)的DAC就可以做成更高精度的恒流源。
　　溫控電路的設(shè)計
　　1 溫度采樣電路設(shè)計
　　該光源模塊組件采用溫敏電阻來反映管芯溫度，溫度采樣電路如圖3所示。采用電阻橋式電路，后面配合專用的橋式放大芯片和電壓調(diào)理轉(zhuǎn)換電路，將溫敏電阻變化引起的電壓變化轉(zhuǎn)化為適合于單片機ADC輸入的量程范圍內(nèi)。
　　
　　圖3溫度采樣電路
　　電路中橋式放大器采用了美信公司的MAX4194。它是一種微功耗、單電源、滿擺幅、精密、增益可調(diào)的儀表放大器，非常適合于做橋式放大器使用。但MAX4194的輸出電壓范圍不適合MSP430F449單片機的輸出量程，后面還需要加上信號調(diào)理電路，將信號調(diào)整到0～2.5V的輸入電壓范圍。
　　MSP430的ADC基準有片內(nèi)和片外兩種。雖然選用片內(nèi)基準就可以不外接，減小電路的復雜程度，但因為所需的轉(zhuǎn)換精度較高，且片內(nèi)基準的溫度系數(shù)較大（100×10-6/℃），這里選用了精度比較高的片外基準電壓源MAX6173。它的輸入電壓為4.5～40V，輸出電壓為2.5V，最大溫度系數(shù)為3×10-6/℃，可以達到設(shè)計要求。
　　2 TEC控制電路設(shè)計
　　TEC控制器按輸出的工作模式可分成線性和開關(guān)兩種。傳統(tǒng)SLED的溫度控制大多采用線性模式的TEC控制器，一個簡單的線性驅(qū)動 TEC電路由兩個推挽功率三極管構(gòu)成，雖然具有電流紋波小且容易設(shè)計和制造的優(yōu)點，但功率效率低，控制精度不高，電路集成度較低，而且存在溫度控制“死區(qū)”問題。
　　本系統(tǒng)采用美信公司的MAX1968，它是一款適用于 Pehier TEC模塊的開關(guān)型驅(qū)動芯片，工作于單電源，能夠提供±3 A雙極性輸出，采用直接的電流控制。MAX1968用于設(shè)定和穩(wěn)定TEC的溫度，每個加載在 MAX1968電流控制輸入端的電壓對應一個目標溫度設(shè)定點。適當?shù)碾娏魍ㄟ^TEC將驅(qū)動TEC對SLED供熱或制冷。SLED的溫度由溫度采集電路采集后，再經(jīng)內(nèi)部單片機運算后反饋給MAX1968，用于調(diào)整系統(tǒng)回路和驅(qū)動