高稳定度半导体激光器恒电流研究论文
【简介】感谢网友“安乐”参与投稿，以下是小编整理的高稳定度半导体激光器恒电流研究论文（共3篇），希望能够帮助到大家。
篇1：高稳定度半导体激光器恒电流研究论文
高稳定度半导体激光器恒电流研究论文
摘要：近年来，随着我国工业、医疗、军事等行业的发展，半导体激光器也得到了广泛应用。半导体激光器对于驱动电源具有较高的要求，其需要高稳定度、低纹波、高精度、高效率的恒流电源。相比传统的线性电源来说，开关电源效率较高，精密度也较高，自身体积小等优势使其在研制成本高、稳定度高的恒流开关电源的研究有着重要的积极作用。本文通过对纹波的种类以及其对于设备的影响，分析了常用的纹波抑制，并且对影响低纹波恒流电源硬件的参数设计以及方案实现展开分析，对于系统的稳定性产生的影响进行探究，希望能给相关工作人员提供帮助。
关键词：高稳定度；半导体；激光器；恒电流；研究
半导体激光器在各个行业的应用越来越多，无论是作为军事上的激光武器，还是医疗上的激光医疗设备和工业方面的激光定位等，半导体激光器都起着十分重要的作用，而激光用电源是保证半导体激光器正常工作的重要元件。激光电源的发展对我国各行业的发展起着十分重要的作用，半导体激光器的驱动电源需要较高稳定度的恒流电源。因为需要载入恒定的载流子，所以载流子注入量直接决定了半导体激光器的功率大小，并且对于半导体激光器的稳定性也十分重要，同时激光器需要较高的精度，较小的偏差都会导致严重的后果，因此需要对激光用电源提出更高的要求。
1控制系统恒流源电路设计
本文根据半导体激光器在实际应用中的要求，针对其特殊性设计出了具有较高稳定度的恒流控制系统，该系统是由恒流源电路、恒流控制器以及半导体激光器、保护电路这几部分共同构成的，利用客户端将串口连接，保证半导体激光器的电路能够输出高精度的恒流和低纹波电流，因此电路设计是十分重要的。首先需要考虑直流线性电源和低纹波的电源来实现供电，根据实际情况模拟地单点接地和数字接地，或者隔离耦合器件能有效地将数字电路和模拟电路进行分隔，在信号输出过程中能够产生谐波耦合到模拟电路中，然后选择低温度系数的电子元件，除此之外还应当综合考虑半导体激光器的保护电路、制热电路和制冷电路等电路。在本次设计中将基准电压源连接了恒流源运算放大器，另一侧与接收到的反馈信号端连接，输出信号控制功率放大器可以直接控制经过的电流，进而产生闭环结构的系统，实现直接控制。但是有以下几点因素会影响系统精度。
（1）系统供电电源的稳定性。电源能够保持高强度的工作度，而低纹波的电源有利于提升电路的采集精度，但是如果输出电压效果不好则会出现较大的纹波，使采集精度大大降低，甚至损坏电路元件。因此，系统的一点小波动都会间接引起电路的波动以及电路的采集精度。在控制系统的电源电路中，需要采用低纹波系数电源，目前有2种电源：开关电源和线性电源。
（2）高精度电压基准源一般都会使用低纹波系数电源，有利于电路稳定，要想获得更高精度的输出电流，需要使用电压基准源作为电压参考，相当于电路中的标准，也是恒流电路中最主要的功能模块之一，它对整个电路的性能和精度有着十分重要的影响。在本次设计中使用的基准源芯片型号为MAX6193，是一种耗能低、精度高的电源，而且其还具有较宽的电压输入范围。
（3）运算放大器电路。采用新型电压源给系统进行供电并采用恒流源的电压基准源MAX6193进行电路设计，该系统采用了高精度的电压基准源，但反馈的电流信号无限逼近电压基准源的电压，需要使用高精度的运放，否则会产生较大的误差。理想状态下，当运放过程中2个输入电压数值相等时，输出电压为0V，而实际上需要在2个输入端施加较小的电压才能使电压值为0V，将这个电压作为输入失调电压，理想的运放流经运放输入端的电流为0，实际使用过程中运放的输入端是有电流通过的，且在失调电流和电压均不为0时，运放的电压也会产生误差。
（4）电流取样电路。电流采样电路根据实际的电路位置是否接地的情况，可以分为高端取样和低端取样。低端电流取样电路的电阻连接晶体管的出射极和地，这种电路设计简单，产生的共模信号小，但是一旦发生电阻短路的情况时是无法检测放大电路的，这样会出现超负荷损坏。同时，激光器的.负极连接金属外壳，如果采用低端电流采样会使负极不能接地，最终功率管会回到地面，而后续工作人员更换激光器时一旦触碰其金属外壳，静电就会流经人体，使人体触电，同时该静电还会经过半导体激光器，也会造成半导体激光器被静电反向击穿。高端电流取样电路是激光器的负极和金属外壳接地，人体在触碰激光器时静电是回到大地的，这种情况下能够大大减少人体被静电击穿的概率，进而在电路设计时可以采用高端电流采样电路。除此之外，半导体激光器本身具有较高的效能和高量子效应，同时其也是一种比较容易受损的电子元件，易被高压电流影响。为了防止受外界不良因素干扰，在设计电流时，需要额外增加保护电路，使其能够保持长时间稳定性工作，并且还需要增加静电、短路保护电路和延时启动电路。
2恒流电路的稳定性测试
由于影响恒流源电路的主要参数是恒流源的稳定度以及输出的电流纹波，因此我们主要针对这两者进行测试。首先对恒流电路的输出稳定性进行测试，采用的固定电流为100mA，采样电阻两端的采样电压与采样电阻的电流成正比，在本次试验中，采用的采样电阻是金属薄膜的贴片电阻，电阻阻值为10，精度为1%，同时高精度也会引起高温度，但其所产生的阻值误差是可以忽略不计的。我们可以将电路认为其电阻不变，通过采集到的电压信号来反映电路中通过电流的真实值，给予恒流源电路通电并在室温下进行测试，利用万能表测量采样电阻两端的电压记录数据，并每隔一定的时间记录一次数据，最终将测试到的数据利用绘图软件绘制其电流的波动图。从测试数据可以看出，所涉及的恒流源电流稳定度可以达到4A，是完全符合系统设计要求的。其次，对纹波电流进行测试，模块供电是通过整流滤波实现的，因此在使用过程中电路中可能会产生一些噪声，而测试纹波与电流稳定性的检测采用了相同的方法，通过对采样电阻两端的电压值进行测量，在恒流源电路通电的情况下测试电压值，结果发现采样电阻两端的交流电压纹波电流为3A。通过介绍电路设计的一些注意事项和恒流源的稳定性以及纹波测试的方法及结果，从测试结果来看，所设计的高稳定度半导体激光器恒流控制器可以达到设计要求。
3结论
本文通过设计半导体激光器恒流控制器系统，研制了高精度的恒流源电路，实现了在100mA的工作电流下能够保持恒流稳定度为4A，且具备一定的静电、过流过压保护等，有效避免了敏感电子元件受外界干扰的情况。此外，采用完全电气隔离的方式来有效阻隔外界的强烈干扰，保证电路的稳定运行。在该系统设计中为了达到高精度要求，避免数字地中的开关噪声耦合到模拟地中，我们在设计过程中采用了数字地的电气隔离和模拟地处理方式，在两地之间使用放电管连接，能够将模拟地和数字地的电气进行有效隔离，降低噪声干扰。
参考文献：
[1]罗亮,胡佳成,王婵媛,等.高精度半导体激光器驱动电源及温控电路设计[J].激光技术,,41(2):200-204.
[2]党玉杰,董全林,孙茂多,等.高稳定度恒流源的研究与影响因素分析[J].电源技术,,40(4):865-868.
篇2：高稳定度和相位噪声的锁相环设计论文
高稳定度和相位噪声的锁相环设计论文
一、引言
本文介绍一种高稳定度和相位噪声的锁相环设计，适用于对频率源指标要求较高，锁定时间要求较低的场合，而且相对于单个高稳定度和相位噪声的频率源来说成本较低。
锁相环电路是一种以消除频率误差为目的的反馈控制电路，它的基本原理是利用相位误差电压取消除频率误差，所以当电路达到平衡之后，虽然有剩余相位误差存在，但频率误差可以降低到零，从而实现无频差的频率跟踪和相位跟踪。而且锁相环电路还具有科研不用电感线圈、易于集成化、性能优越等许多有点，因此广泛用于通信、雷达、制导、导航、仪表和电机都方面。
图1是一个锁相环的构成框图，PLL电路基本上由下述三大部分组成：
鉴相器(phase Detector或phase Comparator)鉴相器用于检测两个输入信号的相位差;环路滤波器(loop Filter)是将鉴相器输出含有纹波的电流信号平均化，将此变换为交流成分少的直流信号的低通滤波器。环路滤波器除滤除纹波功能外，还有一种重要作用，即决定稳定进行PLL环路控制的传输特性;压控振荡器(Voltage Controlled Osillator)就是用输入直流信号控制振荡频率，他是一种可变频率振荡器。
随着电子技术的发展，要求信号的频率越来越稳定，一般的振荡器已经不能满足要求，于是出现了高准确度和高稳定度的时钟振荡源。但是高稳定度的时钟振荡源价格比较昂贵，对于成本的节约上有很大的限制。于是利用锁相环技术产生高精度高稳定度的频率源应运而生，只需要一个成本不高的时钟源和一个高稳晶振就可以实现高精度和高稳定度的时钟频率输出，图2是一个高稳定度锁相环的框图电路。
二、电路框图
本文利用的是单片机STC12C5410AD和鉴相器芯片ADF4001以及一个高稳压控晶振实现锁相环电路，电路框图如图3所示。
1.器件选择
单片机用普通的单片机即可，本设计使用的是STC系列单片机，也可以使用51系列的单片机;ADF4001是AD公司的一款鉴相器芯片，最大输出频率可到200MHz，它内部含有一个13位、一个14位的分频器，可以对输入频率进行分频，使鉴相频率一致;高稳定度的压控晶振可以自己选择，适合自己要求的.，表1是我们自己选择的恒温晶振部分指标。
2.环路设计
环路滤波器的设计是锁相环的重点，它决定了锁相环的指标好坏。环路滤波器的设计关键在环路带宽上，环路带宽会影响锁定时间、相位噪声和短稳等指标。环路带宽与锁定时间成反比关系;大于环路带宽部分的相位噪声由晶振决定，小于环路带宽部分的相位噪声由参考信号决定。环路滤波器的设计方法比较多，各有优势，下面是本设计采用的参数计算方法，环路带宽设置为0.5Hz、相位裕度45°，鉴相频率100kHz。采用三阶无源滤波器。图4是我们的三阶无源滤波器电路。
首先已知相位裕度φ、参考频率fc、鉴相频率fcomp、压控灵敏度Kv、鉴相灵敏度Kφ、输出频率fout、时间常数T31(取0到1之间)。
根据以上公式和已知条件，即可计算除电路中各个元器件的值。当然这只是一种环路滤波器的计算方法，也可以使用AD公司提供的ADIsimPLL软件进行计算，各有优缺点。
一般环路滤波器首选无源滤波器，因为无源滤波器相对于有源滤波器来说，引入的相位噪声更小一点。除非压控电压超出了无源滤波器的输出电压范围，我们才选择有源滤波器。
3.软件部分
4.注意问题
(1)电源
因为我们使用的是高灵敏度的压控晶振，对电压特别敏感，所以在处理电源滤波上要非常到位，特别是ADF4001的供电电压必须适用稳定度高的稳压器，因为供电电压直接影响器件内部电荷泵的电流，从而影响环路输出电压，导致晶振输出稳定度变差。我们在鉴相器电源引脚一次放置0.1uF、0.01uF、100pF的电容，最大限度滤除电源线上的干扰。还在电源线上串一个小电阻，进一步对噪声进行隔离。
(2)VCO的输出功率分配
VCO的输出通过一个简单的电阻网络，将各个端口匹配到50欧姆，如图所示，利用三个18欧姆的电阻组成的T型网络完成。这样做会使B点和C点的功率比A点的功率低6dB，设计中应该注意。图5是输出功率的电阻分配图。
总之，要取得良好的相位噪声和短稳，要在各个方面进行改进，还应该注意以下的问题：
1)PLL芯片工作的电源纹波足够低——不会恶化噪声基底
2)PLL芯片的RF反馈输入(VCO的输出)具有合适的驱动能力——不容许计数器错误计数
3)PLL芯片的REF参考输入具有合适的驱动能力——不容许计数器错误。
4)PLL环路滤波器的电阻不会增加任何额外噪声——不高于热噪声
5)VCO的工作电压纹波足够小——不会恶化由于频率牵引引起的相位噪声。
6)环路滤波器屏蔽足够好——VCO控制线上不会串入其他干扰信号，防止来源于数字电路的窄脉冲信号出现在滤波器的输入端并直接耦合到输出端。
三、测试结果
经过不断的调试。
由测试结果科研看出，经过锁相环之后，稳定度和相位噪声的指标跟晶振的指标基本一致，改善了时钟源的指标。
四、结束语
本文所设计的高稳定度和相位噪声的锁相环设计，适用于对频率源指标要求较高，锁定时间要求较低的场合，而且相对于单个高稳定度和相位噪声的频率源来说成本较低。由于本人水平有限以及研究场合等因素制约，难免会存在一些瑕疵，仍需近深入研究，来实现进一步的完善和提高。
参考文献
[1]姜艳波，等编著.稳态电路与锁相环电路实例——CMOS数字集成电路应用百例[M].化学工业出版社，—05.
[2]黄智伟.锁相环与频率合成器电路设计[M].西安电子科技大学出版社，—10.
[3]F.M.Gardner，Phaselock Techniques，2nd ed.，Wiley，New York，1979.
篇3：高拘束度厚钢板自动焊接工艺研究论文
高拘束度厚钢板自动焊接工艺研究论文
1。概述
现代冶炼和制造技术的不断提高，为大型钢结构的生产和使用提供了有力保障，重型钢结构制造行业日益发展，中厚板的焊接技术也越来越先进，如窄间隙焊接技术和多丝焊接技术的日趋成熟。但因各种限制，也有许多厂矿一时难以推广上述工艺，仍然以单丝埋弧焊工艺为主，关注单丝埋弧焊工艺在中厚板结构中的应用，一段时期内仍具有相当的实际意义。笔者曾从事过大型水泥行业、电力行业管磨机和锻压机床大型压力机的焊接工艺，对厚板焊接特别是高拘束度条件下的焊接工艺进行了大量实践和总结，本文以管磨机支撑段（行业内称滑环）的焊接工艺为例，分析高拘束度厚板焊接工艺的特点。
2。实例情况简介
如图1所示为建材行业采用较多的规格为φ5m的管磨机滑环的基本尺寸，材料一般用20G（现标准为Q245R），也有少部分厂家设计采用Q345―B板，投料尺寸筒体部分一般采用厚度115mm，腹板厚度90mm。
3。焊接性分析
（1）理论分析对常用碳钢如Q245和低合金钢Q345综合评价其焊接性，特别是淬硬性，估算可用碳当量经验公式：Ceq=C+Mn/6+Si/24。一般Ceq≤0。4%时认为焊接性良好，上述钢材Ceq一般在0。4%~0。45%，属于焊接性良好的钢种。对于厚度大的钢材焊接时，必须考虑合金元素和杂质对热裂纹的影响。因此评价焊接热裂纹倾向的碳当量计算公式：Ceq=C+2S+P/3+（Mn―1。0）/8+（Si―0。4）/7。相关资料指出，对于wc≥0。2%的碳钢和低合金钢，当杂质ws≥0。035%时，便足以引起埋弧焊的热裂纹，因此应尽量将钢中和焊丝中杂质S的含量分别控制在0。02%和0。01%以下，同时杂质P的含量也应控制在0。02%以下。由于构件使用的钢板厚度大，同时筒体与腹板组合的环缝拘束度相当高，焊接过程中因厚板传热快，焊缝冷却速度大，虽然是低碳钢或低合金钢，仍然会在焊缝中出现淬硬组织，在厚板形成的三维应力作用下，极有可能产生冷裂纹；而用于一般结构的钢板和焊丝成分，冶炼时达到控制热裂纹所需的杂质最高含量也不完全现实，从而出现热裂纹的几率也大大增加。（2）实际情况在实际制作过程中，由于刚开始没有引起足够重视，结果问题接连出现。首先，考虑厚板冷却速度不周，焊接前只进行了简单预热，结果第一层焊接马上全部开裂，再加焊一层，同样开裂，后来调整了预热工艺，保证底层焊缝质量后，中间层焊缝因焊接参数较大，又在焊缝中心出现大量热裂纹。
4。工艺措施制定
根据理论分析及实际教训，我们认真进行总结并制定了详细工艺措施。（1）预热温度确定参照低合金钢冷裂纹指数Pcm及考虑板厚的预热温度计算公式进行计算，并结合相关资料介绍的经验，确定预热温度如下：钢板对接预热温度：T≥100℃；滑环环缝焊接预热温度：T≥140℃。（2）焊丝焊剂选择为提高抗热裂性能，并考虑到厚板焊接后一般要求进行热处理，碳钢采用含锰焊丝H08MnA，配合HJ431焊剂，低合金钢采用H10Mn2A，配合HJ431或SJ101焊剂，熔炼焊剂使用前250℃烘烤2h，烧结焊剂使用前350℃烘烤2h。（3）焊接参数确定进行了试板试焊（埋弧焊焊丝H08MnA、φ4mm，焊剂HJ431）底层焊接情况如表1所示。（4）焊后消氢处理和焊后消除应力热处理由于此类结构焊接后要进行机加工，必须进行焊后消除应力热处理，若焊后不能进行消除应力处理，需增加消氢处理工序。
5。焊接工艺要点
（1）焊接坡口设计根据多次试验结果，既保证不焊穿又能有效防止底层热裂纹的坡口形式如图3所示。筒体部分采用对称U形坡口，腹板则采用不对称U形坡口，适当增加圆弧部分半径（R10mm左右），减少钝边尺寸（由原来6mm减为3mm），可以在底层焊缝中尽量减少母材的熔入量，对防止根部热裂有明显作用。（2）组装要求钢板对接时采用定位板固定，装配间隙控制在2mm以内。滑环类高拘束度结构件，应先粗加工，保证配合间隙尽量较小，并均匀分布，装配腹板前先划线，用定位板根据结构尺寸进行筒体上定位板的.焊接再装腹板，检验各部位装配质量，不可点焊，否则预热时因膨胀不匀定位焊缝拉裂形成潜在焊接缺陷。（3）预热方法钢板对接：采用煤气（或氧乙炔火焰）预热，温度达到100℃以上。滑环预热：采用筒体远红外履带式电加热结合腹板煤气加热方法，筒体先加热使之膨胀，约30min后腹板开始加热，保证筒体筒体预热达到140~150℃，腹板预热达到100~120℃，坡口间隙以2~3mm为宜。预热范围要求板厚3倍以上，用红外线测温枪近距离（200~350mm）垂直测量，同时预热过程中要求用保温棉进行保温。环境温度较低时预热温度应增加20~30℃。（4）焊接实施根据工艺试验确定焊接材料，实际施焊时，当达到预热温度后，第一层用φ1。2mm丝径的CO2焊接先进行填充以防止焊穿，然后采用埋弧焊焊接，焊接参数如表2所示。焊接过程中保证层间温度碳钢结构≥100℃，低合金钢≥150℃；如果达不到此最低规定，应继续通电预热，但必须注意防止触电等安全（良好接地措施）。一旦焊接除非特殊情况，一般要求连续焊接，禁止中途停留；特殊情况间断后，必须重新预热达到规定温度后才能进行焊接，而且重新预热的加热速度要求控制好，不得高于50℃/h，以免产生应力开裂。自动焊焊缝形状系数在1。3~1。5为佳，偏小的形状系数，在厚板焊接时极易产生结晶裂纹。由于腹板对接必须考虑焊接变形的影响，所以采用不对称坡口，从小坡口侧先焊接，注意两面交替焊接，随时检测角变形量并调整焊接顺序，特别注意盖面层的焊缝对角变形有较大影响；滑环筒体与腹板组合的环缝焊接也同样要注意腹板变形量，一般以8~10mm为宜，达到此值时就必须翻面焊接；而筒体钢板对接时因为钢板长度大，自重大，在对接焊缝焊接时，因为自重作用，相当于进行了刚性固定，可以一次将一面焊接完毕再翻面。必须采用多层多道焊接，这样既有利于减少结晶热裂纹产生的几率，又可大大减少焊接应力，同时每层每道焊缝对上层上道焊缝有回火作用，不仅提高了焊缝力学性能，而且利于焊缝残余氢的逸出，对防止厚板焊接冷裂纹有很大作用。板材对接时焊丝与坡口母材间距以焊丝直径为准，过大边缘未熔合，过小易产生咬边或焊道间未熔合。腹板与筒体组合环缝焊接时，自动焊机应做相应工装，保证焊机焊接速度和焊丝角度方便调节，焊丝与腹板的夹角以70°~80°为宜，焊机改装及实际焊接情形如图4所示。（5）焊后热处理如图5所示，厚板类焊接结构因残余应力较大，一般应进行焊后消除应力热处理，对于板材对接焊缝，消除应力热处理的升温速度可以参照板厚进行计算：升温速度v1≤5500/δ（℃/h）；降温速度v2≤7000/δ（℃/h）；保温时间t≥2+（δ―50）/100（h）；其中，δ为需热处理的板厚。板材对接焊缝可以用履带式加热器进行热处理，滑环类最好进炉内热处理，如果没有合适退火炉，采用功率足够的履带式加热局部热处理也可以得到较好效果。这时因为局部热处理原因，加热速度和冷却速度均应比图5中的参数降低10~20℃/h，并注意围好保温材料，防止空气侵入和热量损失。消除应力后应进行超声波检测，对角接焊缝还应检查层状撕裂缺陷。
6。结语
厚板焊接有其特殊性，预热和连续小规范多层多道焊接是保证焊接质量的基本工艺措施，不能因为材料焊接性好就不引起重视。对拘束度较大的构件，更需强调预热的作用，特别是考虑膨胀收缩原理，通过焊前预热和电弧热，使工件与焊缝同时膨胀和收缩，尽量减少焊缝过大应力，同时还要考虑层状撕裂的问题（如选择Z25以上板材），这样才能保证焊接质量。笔者按照上述方法，焊接过建材行业磨机、锻压机床机架以及电力行业厚管板，均取得较好效果。
