半导体激光器驱动电源设计(编辑修改稿)

半导体激光器驱动电源设计(编辑修改稿)内容摘要：

但其响应速度快，传输延迟时间短，而且不需外加限幅电路 就可直接驱动 TTL、 CMOS和 ECL等集成数字电路；有些芯片带负载能力很强，还可直接驱动继电器和指示灯。 采样电压放大后 (Va)与 DAC2比较 ,当 Va＞ DAC2,二极管 D5导通 ,形成一个负反馈环 ,使流经半导体激光器的电流 I减小 ,从而使 Va减小 ,直到 Va=DAC2。 由此可见流过半导体激光器的最大电流是一个与 DAC2有关的固定电流值 ,只要设定好 DAC2 的值 (即限流值 ) ,可保护激光二极管不会因过流而毁坏当 Va＜ DAC2时 ,二极管D5不导通 ,此电路不影响主回路。 图 313 限流保护电路 4数字电路部分的系统方案设计 数字电路部分采用单片机作为系统的控制单元，由晶振电路，复位电路，按键电路，数模转换电路，模数转换电路， 液晶显示电路， 与 PC 机通讯接口电路等七部分外围电路组成。 单片机系统是整个驱动电源的控制核心部分。 具有要实现接受数据，数据处理，显示，与 PC 机通信等功能。 单片机的全称为单片微型计算机（ Single Chip Microputer） ,它是把组成微型计算机的各功能部件，如中央处理器（ CPU）、随机存储器（ RAM）、只读存储器（ ROM） I/O 接口电路、定时 /计数器，以及串行通信接口等部件制作在一块集成芯片中，构成一个完整的微型计算机。 单片机具有小巧灵活、成本低、研发周期短易于产品化，可靠性高，使用温度范围宽，易扩展，控制能力强，指令系统相对简单等优点。 单片机硬件设计包括两大部分内容。 一是单片机系统的扩展部分设计，它包括存储器扩展和接口扩展。 二是各功能模块的设计、如信号测量功能模块、信号控制模块、人机对话功能模块、通信功能模块等，根据系统功能要求配置相应的A/D、 D/A、键盘、显示器、打印机等外围设备。 单片机的种类很多，在实际应用中要根 据具体情况来选择单片机的类型。 单片机的种类繁杂，性能各异，应根据应用系统的具体要求来进行比较、选择。 首先要选择合适的存储器。 单片机内部有两种存储器：程序存储器和数据存储器。 两者严格区分开，对于不同厂家和型号的单片机，这两种存储器的容量也不一致。 可以选择片内无程序存储器的单片机，通过对片外扩展组成单片机扩展系统。 这种系统使用灵活，改写程序方便，是目前我国使用较多的一种凡是。 设计扩展系统时，要分别估计程序的长短和随机数据的多少从而确定片外扩展上的数据存储器和成程序存储器容量的 大小。 选择单片机还应注意扩展部件的方便程度、接口能力、指令系统、寻址方式、功耗及成本， 单片机的基本参数例如速度 、 I/O 引脚数量 ； 工作温度范围 ， 工业级还是商业机 ， 如果设计户外产品，必须选用工业级 ； 工作电压范围 ； 抗干扰性能好 ； 和其他外设芯片放在一起的综合考虑 等问题。 单片机的应用系统一般比较小巧、紧凑，不像其他一般微型计算机有较多的外设，多数单片机不具备软件调试功能，即不具备自开发能力。 因此，在自行设计组装单片机时，必须有相应的开发工具。 这种开发工具叫单片机开发系统。 尽管单片机有 许多优点，但如果没有开发系统，就无法开展单片机的应用开发工作。 有的单片机性能很好，但如果找不到合适、方便的开发系统。 就不宜采用。 目前， Intel 公司的 MCS51 系列单片机或其兼容机在 8位单片机市场上占有 50%以上，配套的开发系统完备、可靠。 由于其有较高的性能价格比，自 1980年推出以来，直到现在，其在市场上仍很坚挺，已是我国在工业检测、控制领域的优选机型。 根据单片机的选用原则以及计步器的功能需要。 选择 AT89C52 单片机作为计步器的核心控制部分。 AT89C52 是美国 ATMEL 公司生产的低功耗，高性能 CMOS8 位单片机，片内含8Kbytes 的可编程的 Flash 只读程序存储器 和 256 bytes 的随机存取数据存储器（ RAM） ，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 8051指令系统及引脚。 它集 Flash 程序存储器既可在线编程（ ISP）也可用传统方法进行编程及通用 8位微处理器于单片中，低价位 AT89C52单片机可灵活应用于各种领域。 AT89C52 提供以下标准功能： 8K字节 Flash 闪速存储器， 256 字节内部 RAM，32 个 I/O 口线，看门狗（ WDT），两个数据 指针， 三 个 16 位 可编程 定时 /计数器中断 ， 两 个 串行中断， 两个全双工串行通信口， 两个外部中断源 ， 共 6 个中断源两 个读写中断口线 ，三 级加密位 ， 低功耗空闲和掉电模式 ， 软件设置睡眠和唤醒功能 ， 片内振荡器及时钟电路。 AT89C52 可降至 0Hz 的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。 空闲方式停止 CPU 的工作，但允许 RAM，定时 /计数器，串行通信口及中断系统继续工作。 掉电方式保存 RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作到下一个硬件复位。 AT89C52的主要性能参数见表 41。 与 MCS51 产品指令系 统完全兼容 8K 字节 Flash 闪速存储器 大于 1000 次擦写周期 工作电压范围 全静态工作模式 0Hz33Hz 三级程序加密锁 256 8字节内部 RAM 32 个可编程 I/O 口线 3 个 16位定时 /计数器 6个中断源 全双工串行 UART 通道 低功耗空闲和掉电模式 中断可从空闲模式中唤醒系统 看门狗（ WDT）及双数据指针 掉电标示和快速编程特性 灵活的在系统编程 表 41 AT89C52 的主要性能参数 图 41是课题中所选用的 AT89C52 的封装管脚图，现在对引脚功能进行简要说明 ： VCC：电源电压 GND：地 P0 口： P0 口是一组 8 位漏极开路型双向 I/O 口，当使用片外存储器（ ROM或 RAM） 时，作地址 /数据总线分时复用。 在程序校验期间，输出指令字节（这时需要加外部上拉电阻）。 P0 口（作为总线时）能驱动 8 个 TTL 逻辑门电路，对端口写“ 1”可作为高阻抗输入端用 P1口： P1是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P1的输出缓冲级可驱动 4 个 TTL 逻辑门电路。 对端口写“ 1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。 图 41 40 引脚双列直插 (DIP)封装 图 P2口： P2是一个带有内部上拉电阻的 8位双向 I/O 口， P2 的输出缓冲级可以驱动 4 个 TTL 逻辑门电路。 对端口写“ 1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。 当使用片外存储器（ ROM 或 RAM） 时，输出高 8位地址。 在编程 /校验期间，接收高位字节地址。 P3口： P3是一组带有内部上拉电阻的 8位双向 I/O 口。 P3 口输出缓冲级可驱动 4个 TTL 逻辑门电路。 对 P3 口写入“ 1”，它们被内部的上拉电阻拉到高并可作为输入端口。 P3 口除了作为一般的 I/O 口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表 42 所示 端口引脚 第二功能 RXD( 串行输入口） TXD（串行输出口 I NT0^ （外中断0） INT1 ^ （外中断 1） T0（定时 / 计数器 0） T 1 （定时 / 计数器 1） WR ^ （外部数据存储器写选通） R D^ （外部数据存储器写选通） 表 42 P3 口引脚的第二功能 RST：复位输入信号，高电平有效。 在振荡器工作时，在 RST 上作用两个机器周期以上的高电平，将器件复位。 _________PROGALE/ :地址所存允许信号，输出。 用作片外存储器访问时，低字节地址锁存。 ALE 以 1/6 的振荡频率稳定速率输出，可用作对外输出的时钟或用于定时。 在 EPROM 编程期间，作输入。 输入编程脉冲（ _________PROG ）。 ALE 可以驱动 8 个TTL 逻辑门电路。 _________PSEN :片外程序存储器选通信号，低电平有效。 在从片外程序存储器取指令期间，在每个机器周期中，当 _________PSEN 有效时，程序存储器的内容被送上 P0 口（数据总线）。 _________PSEN 可以驱动 8个 TTL 逻辑门电路。 __EA /VPP：片外程序存储器访问允许信号，低电平有效。 在编程时，其上施加 21V 或 12V 的编程电压。 XTAL1：振荡器反相大器及内部时钟发生器的输入端。 XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。 单片机的晶振电路 CPU 工作时都必须有一个时钟脉冲。 时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。 因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统稳定性。 AT89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚 XTAL1 和 XTAL2 分别是此放大器的输入端和输出端。 AT89C52 的时钟可由内部方式或外部方式产生。 外部时钟方式，即使用外部电路向 AT89C52 提供时钟脉冲，外部时钟信号通过一个反相器接至 XTAL1 和 XTAL2；内部时钟方式，接晶体及电容 1C 和 2C 构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中，内部振荡器产生自激振荡。 课题所采用的振荡电路是内部方式，电路如图 42 所示。 图 42 内部时钟振荡电路 复位电路 AT89C52 的复位工作引脚 RESET 为 AT89C52 提供了初始化的手段。 有了它可以使程序从指定处开始执行，即从程序存储器中的 0000H 地址单元开始执行程序。 在 AT89C52 的时钟电路工作后，只要在 RESET 引脚上出现 10ms 以上的高电平时，单片机内则初始复位。 只要 RESET 保持高电平，则 AT89C52 循环复位。 只有当 RESET 有高电平变低电平以后，单片机才从 0000H 地址开始执行程序。 AT89C52 有三种复位方法。 第一，上电复位。 接通电源时自动产生一个复位信号。 第二，手动复位。 设置一个复位按钮，当操作者按下按钮时产生一个复位信号。 第三，自动复位。 设计一个复位电路，当系统满足某一条件时自动产生一个复位信号。 根据功能需要，课题中所采用的单片机复位电路是使用上电复位和手动复位结合的复位方法。 开启时，上电 后即可自动对单片机复位。 AT89C52的复位电路如图 43 所示 图 43 AT89C52的复位电路 按键电路 在该系统中，为了实现设定电流值的输入，按键电路是十分必要的。 在单片机系统中键盘分为两类，一类为独立式按键，另一类为矩阵式键盘。 独立式按键是直接用 I/O 口线构成的单个按键电路，其特点是每个按键单独占用一根 I/O 口线，每个按键的工作不会影响其它 I/O 口线的状态。 独立式按键的典型应用如图 44 所示。 图 44 独立式按键接口电路 独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一 根 I/O口线，因此，在按键较多时， I/O 口线浪费较大。 当 单片机控制系统中，往往只需要几个功能键 时，可采用独立式按键结构。 矩阵式键盘， I/O 端线分为行线和列线，按键跨接在行线和列线上，按键按下时，行线与列线发生短路。 矩阵式键盘的特点为占用 I/O 端线较少但软件结构较为复杂。 当需要较多的按键时可采用矩阵式键盘。 矩阵式键盘结构如图 45所示。 图 45 矩阵式键盘的结构 考虑到本文的数据输入量以及单片机 I/O 口的使用情况，系统设计才用独立式按键。 本文的按键电路如图 46 所示 ，按键的作用是输入设定的电流值 和最 大值 ，系统设定的初始的最大值为 2mA,设定值为 1mA。 输 入的方法是 通过按键连续输入每按一下键电流值就相应的增加或减少 1mA。 程序设定了输入值不能大于系统初始设定的最大值 1mA。 设定的最大值不能小于系统初始设定的设定值 1mA。 图 46 本系统的 按键电路 组成键盘的按钮有触点式和非触点式两种，单片机中应用的一般是由机械触点组成的。 机械式按键再按下或释放时，由于机械弹性作用的影响，通常伴随有一定时间的触点机械抖动，然后其触点才稳定下来。 其抖动过程如图 47 所示，抖动时间的长短与开关的机械特性有关，一般为 510 ms 图 47 键操作和键抖动 在触点抖动期间检测按键的通与断状态，可能导致判断出错，即按键一次按下或释放被错误地认为是多次操作，这种情况是不允许出现的。 为了克服按键触点机械抖动所致的检测误判，必须采取去抖动措施。 这一点可从硬件、软件两方面予以考虑。 在键数较少时，可采用硬件去抖，而当键数较多时，采用软件去抖。 在硬件上可采用在键输出端加 RS触发器 (双稳态触发器 )或单稳态触发器构成去抖动电路。 图 48是一种由 RS触发器构成的去抖动电路，当触发器一旦翻转，触点抖动不会对其产生任何影响。 图 48 硬件消抖电路 软件上采取的措施是：在检测到有按键按下时，执行一个 10 ms 左右（具体时间应视所使用的按键进行调整）的延时程序后，再确认该键电平是否仍保持闭合状态。